Photoélectrolyse de l'eau : étude de matériaux semiconducteurs de type p comme photocathode pour la réduction de protons en H2

par Johanna Toupin

Thèse de doctorat en Physique et Chimie des Matériaux

Sous la direction de Vincent Artero et de Christel Laberty-Robert.

Soutenue le 09-02-2016

à Paris 6 , dans le cadre de École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris) , en partenariat avec Laboratoire de Chimie de la Matière Condensée de Paris / LCMCP (laboratoire) .

Le jury était composé de Fabrice Odobel, Benoît Piro, Marc Fontecave, Kevin Sivula, Henri Strub.


  • Résumé

    L’objectif de ce travail a été d’étudier des matériaux semiconducteurs de type p comme photocathode pour la réduction de protons dans le cadre de la photoélectrolyse de l’eau. Ainsi, deux types de matériaux ont été étudiés, des oxydes de cuivre, Cu2O et CuO, et des matériaux à structure pérovskite (ATiO3, A=Ca, Ba, Sr) dopées au fer et à l’azote. Les oxydes de cuivre ont été synthétisés par deux voies différentes afin d’obtenir des films : par voie sol-gel couplée au dip-coating et par électro-dépôt et anodisation du cuivre. La photocorrosion des oxydes de cuivre en milieu aqueux et sous illumination a été mise en évidence. La protection des oxydes de cuivre via une hétérojonction avec un semiconducteur de type n (TiO2 ou BaTiO3) a révélé une meilleure stabilité des électrodes au cours du temps ainsi que des photocourants élevés grâce à une composition et une architecture originales. Les pérovskites ont été synthétisées par voie sol-gel couplée au dip-coating. Ce sont des semiconducteurs de type n ; ainsi l’étude du dopage au fer, pour substituer le titane, et à l’azote, pour substituer l’oxygène, a mis en évidence un changement de nature de type n à type p, ainsi qu’une diminution de la largeur de bande interdite. Les propriétés physico-chimiques de toutes les électrodes synthétisées ont été caractérisées (structure cristalline, morphologie, propriétés optiques et électrochimiques) et discutées en fonction de leur composition et des paramètres de synthèse. Ces travaux ont permis d’élaborer des photocathodes originales, performantes et stables au cours du temps (oxydes de cuivre protégées), et de démontrer l’utilisation de pérovskites dopées pour cette application.

  • Titre traduit

    Water splitting : study of p-type semiconducting materials as photocathode for protons reduction into H2


  • Résumé

    The aim of this work was to study p-type semiconducting materials as photocathodes for protons reduction into H2 for water splitting application. Two types of materials have been studied: copper oxides, Cu2O and CuO, and materials with a perovskite structure (ATiO3, A=Ca, Ba, Sr) doped by iron and nitrogen. Copper oxides have been synthetized by two different ways in order to obtain films: sol-gel process coupled with dip-coating and copper plating and anodization. Copper oxides photocorrosion has been highlighted in aqueous environment and under illumination. Their protection via a heterojunction with an n-type semiconductor (TiO2 and BaTiO3) improved electrodes stability over time and photocurrents, thanks to original composition and architecture. Perovskites have been synthetized by sol-gel process coupled with dip-coating. They are well-known as n-type semiconductors; so the study of doping with iron, to substitute titanium, and with nitrogen, to substitute oxygen, shows a change from n-type to p-type, and a reduction of the band gap. The physical and chemical properties of the synthetized electrodes were characterized (crystal structure, morphology, optical and photoelectrochemical properties) and discussed according to the composition and synthesis parameters. This work enables to obtain original, efficient, and stable over time, photocathodes (protected copper oxides) and to demonstrate the potential use of doped perovskites for this application.


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