Développement par PECVD de membranes conductrices protoniques de type phosphonique pour la production d'hydrogène par photo-électrolyse de l'eau

par Arnaud Kinfack Leoga

Projet de thèse en Chimie et Physico-Chimie des Matériaux

Sous la direction de Stéphanie Roualdes et de Vincent Rouessac.

Thèses en préparation à Montpellier , dans le cadre de Sciences Chimiques Balard , en partenariat avec IEM - Institut Européen des Membranes (laboratoire) et de DM3 - Design des Matériaux Membranaires et systèmes Multifonctionnels (equipe de recherche) depuis le 01-10-2015 .


  • Résumé

    Résumé : Le couplage direct de la séparation et de la photocatalyse en utilisant des membranes à base de dioxyde de titane, est une approche intéressante habituellement appliquée dans les dispositifs de traitement de l'eau, et récemment envisagée pour d'autres applications, telle que la production d'hydrogène par photoélectrolyse de l'eau. En effet, le dioxide de titane (TiO2) est bien connu pour ses propriétés photocatalytiques. En outre, s'il est immobilisé sur support membranaire plutôt qu'utilisé en suspension, son intégration en procédé de séparation est facilitée sans compter les gains apportés au procédé en termes de compacité, intégrité et capacité séparative. Pour une telle application, des cellules originales sous forme de multicouches doivent être conçues. En effet, certains systèmes sont décrits dans la littérature mais aucun d'entre eux n'est réellement intégré (c'est-à-dire basé sur une géométrie de type multicouche micro-architecturée), ni formé de couches minces obtenus par procédés plasma. Or les procédés plasma sont généralement compétitifs pour l'obtention de systèmes multicouches de grande intégrité et compacité. Dans le cadre de récents travaux menés à l'IEM, différents types de couches minces ont été préparées par PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), à savoir : - des films de TiO2 connus pour leurs propriétés photocatalytiques ; - et des membranes phosphoniques de conduction protonique avérée. En outre, des films minces de platine efficaces pour la réduction catalytique des protons en hydrogène peuvent être également déposés à l'IEM par un autre procédé plasma, la pulvérisation cathodique. A ce stade, les films de TiO2 obtenus par PECVD peuvent encore être optimisés en termes d'activité photocatalytique et de propriétés séparatives ; cette optimisation, qui pourrait concerner le dopage de TiO2 par des éléments comme l'azote (permettant le déplacement de la bande interdite de la région UV vers la région visible), est un des objectifs de ce projet de thèse. En parallèle, le second et principal objectif de cette thèse est de démontrer l'intérêt de ces films de TiO2 pour la production/séparation de H2 par voie solaire. Dans ce but, des cellules intégrées originales doivent être conçues, assemblées et caractérisées. De telles cellules, dites photoélectrochimiques, à deux compartiments, seront constituées d'une membrane conductrice protonique en tant qu'électrolyte, prise en sandwich entre les couches de TiO2 et Pt jouant alors respectivement les rôles d'anode et de cathode.

  • Titre traduit

    Development by PECVD of phosphonic acid-type proton conductive membranes for hydrogen production by water photo-electrolysis


  • Résumé

    Summary: Direct coupling of separation and photocatalytic degradation by using titania-based membranes is an attractive approach usually applied in water treatment devices. Such approach involving multifunctional titania membranes can also be envisaged for other applications and in particular for H2 production from solar light by electrolysis of water. For such an application, specific original integrated devices have to be conceived. Indeed, some systems are described in the literature but neither of them is really integrated (that is to say based on a μ-architectured multilayers geometry) or involves plasma layers. Now plasma process is very competitive to insure stability, integrity and compactness of material devices. Plasma deposition is a very promising one-step method for preparing materials on a wide range of substrates (polymers, metal, and ceramic) by deposition of supported layers. This versatile method enables optimization of structural and functional properties of thin layers. Lastly, in term of permeation ability, plasma films are very thin (some nm to some micro meters thickness) which facilitates the transport of species. In the frame of current PhD theses, different kinds of thin films have been successfully prepared by Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) at the Institut Européen des Membranes: - TiO2 films whose photocatalytic properties have been displayed; - and phosphonic acid-based membranes with satisfying proton conduction ability. In addition, platinum thin films efficient for the catalytic reduction of protons in hydrogen can also be deposited at IEM using plasma sputtering. The association of these different layers in the form of plasma multilayered electrode/membrane assemblies is currently investigated in the frame of a master internship. At this stage, PECVD TiO2 films can still be optimized in terms of photocatalytic activity and separation properties; this optimization, which could concern titania doping with elements like nitrogen (enabling shift of the band-gap from UV into the visible region), is one objective of the present PhD proposal. In parallel, the second and main objective of this PhD is to prove the interest of such multifunctional membranes for H2 production/separation from solar light. With this aim, specific original integrated devices have to be conceived, manufactured and characterized. Such devices will be two-compartments photoelectrochemical cells involving a proton-exchange membrane as conductor between both compartments, composed of TiO2 and Pt films playing the roles of anode and cathode, respectively.