Photosensibilisation de nano-réseaux de TiO₂ à l'aide de Metal Organic Frameworks pour la dissociation photoélectrochimique de l'eau

Metal organic frameworks as efficient photosensitizer for TiO₂ nanoarray anode and application to water splitting in PEC cells

• Auteur / Autrice : Sheng Mu You
• Direction : Pierre Millet, Ruey-An Doong, Sue-Min Chang
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 13/10/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay en cotutelle avec National Chiao Tung University (Taiwan)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de chimie moléculaire et des matériaux d’Orsay (Orsay, Essonne ; 2006-....) - Institute of Analytical and Environmental Sciences (Hsinchu, Taïwan)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Jury : Président / Présidente : Marie-Laurence Giorgi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christian Beauger, Kun-Yi Lin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christian Beauger, Kun-Yi Lin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Anodes

Électrocatalyse

Photodissociation

Oxyde de titane

Photoélectrochimie

Mots clés libres

Photoélectrodes

Nano-réseaux de dioxyde de titane

Dissociation de l'eau

Réaction de dégagement d'oxygène

Catalyse électrochimique

Photoélectrochimie

Photoelectrodes

Titanium dioxide nanoarray

Water splitting

Oxygen evolution reaction

Electrochemical catalysis

Photo-electrochemistry

Résumé

Les réserves de combustibles fossiles diminuent et leur utilisation illimitée depuis la révolution industrielle a généré de profonds changements du climat, notamment des cycles de la température atmosphérique. Stocker l'énergie solaire sous forme d'hydrogène produit par dissociation de l'eau est un moyen idéal pour combattre le réchauffement climatique. Les matériaux de la famille des «metal organic framework» (MOF) commencent à être utilisés comme photo-électrocatalyseurs, notamment pour la photo-dissociation de l'eau. Leur porosité extrêmement élevée et leur grande polyvalence, tant chimique que structurelle, les désignent comme des candidats potentiels pour faciliter l'absorption du rayonnement solaire et catalyser la dissociation de l'eau dans les cellules photoélectrochimiques. En contrôlant la composition chimique et le dopage du linker utilisé dans le MOF, il est possible d'ajuster l'énergie de la bande interdite, de favoriser la fonctionnalisation sur des substrats très variés ou encore d'ajuster leur résistance à la corrosion dans divers environnements chimiques. Ce sont donc des matériaux d'un grand intérêt pour la catalyse, l'électrocatalyse ou la photo-électro-catalyse. D'autre part, le TiO₂ nano-structuré, par exemple sous forme de tapis d’épaisseur micrométrique de nanotubes ou de nanofils, parfois appelé TNA, est un matériau bien adapté à la construction de photoanodes pour le dégagement d'oxygène en milieu aqueux. Il a déjà été largement étudié et décrit dans la littérature. Au cours de notre thèse, nous avons fabriqué des matériaux composites constitués de MOF de métaux de transition (Ni, Co, Fe) déposés sur TNA (TDNR et TNTA). Pour cela, nous avons utilisé une méthode électrochimique d'électrodéposition. Cela nous a permis de déposer des nanoparticules métalliques sur du TNA à potentiel fixe - 1,0 V puis de les transformer par réaction chimique avec des ligands organiques (BTC, BDC, et 2MZ) par voie thermo-thermique. Les matériaux obtenus présentent une activité électrocatalytique significative et une excellente durabilité photoélectrochimique. Ces matériaux composites ont été utilisés avec succès comme phase active dans des photo-électrodes pour la réaction de dégagement d'oxygène moléculaire (OER).

The fossil fuel reserves are dwindling and their unrestricted use has generated profound changes in Earth's surface temperature and climate. Storing solar energy in the form of hydrogen produced by dissociation of water is an ideal way to mitigate global warming. Materials from the “metal organic framework” (MOF) family are starting to be used as photo-electrocatalysts, especially for photo-dissociation of water. Their extremely high porosity and their great versatility, both chemical and structural, designate them as potential candidates to facilitate the absorption of solar radiation and catalyze the dissociation of water in photoelectrochemical cells. By controlling the chemical composition and doping of the linker used in the MOF, it is possible to adjust the band gap energy, to favor the functionalization on very varied substrates or even to adjust their resistance to corrosion in various chemical environments. They are therefore materials of great interest for catalysis, electrocatalysis or photo-electro-catalysis. On the other hand, nano-structured TiO₂, for example in the form of nanotube or nanowire mats, sometimes called TiO₂ nanoarray (TNA), is a material very suitable for the construction of photoanodes for the evolution of oxygen in aqueous medium. It has already been extensively studied and described in the literature. During our thesis, we manufactured composite materials made up of MOFs of transition metals (Ni, Co, Fe) deposited on TNA (network of nanotubes or nanowires). For this we used an electrochemical method of electrodeposition (cyclic voltammetry). This allowed us to deposit metallic nanoparticles on TNA with fixed potential - 1.0 V and then transform them by chemical reaction with organic ligands (1,3,5-benzenetricarboxylic acid, BTC, 1,4-benzenedicarboxylic acid, BDC and imidazole, 2MZ) by thermal-thermal route. The materials obtained exhibit significant electrocatalytic activity and excellent photoelectrochemical durability. These composite materials have been successfully used as an active phase in photo-electrodes for the oxygen release reaction (OER).