Conception de photo-électrodes hétérostructurées pour la réaction d'électrolyse de l'eau

Design of Heterostructured Photoelectrodes for Water-Splitting

• Auteur / Autrice : Adeline Blot
• Direction : Olivier Durupthy, Christel Laberty-Robert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 24/10/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Chimie de la matière condensée de Paris (1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Jennifer Péron
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Loic Assaud, Mireille Richard-Plouet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photoélectrochimie

Oxydation

Eau

Anodes

Vanadate de bismuth

Mots clés libres

Vanadate de bismuth

Photoanode

Oxydation de l’eau photoélectrochimique (REO)

Bismuth vanadate

Photoanode

Photoelectrochemical water-Oxidation (OER)

Résumé

La photo-électrolyse de l’eau est une solution innovante pour la production durable de dihydrogène. Pour créer une cellule photoélectrochimique autosuffisante capable de réaliser l'électrolyse de l'eau sans nécessiter d'apport d'énergie externe, le développement de matériaux photo-actifs efficaces au sein d'un unique électrolyte est nécessaire. Dans ce contexte, nous avons étudié le vanadate de bismuth (BiVO4) comme photoanode pour l'oxydation de l'eau dans des conditions acides où l’optimum d’efficacité des photocathodes est atteint. A ce jour, peu de travaux ont porté sur l’efficacité et la durabilité de ces électrodes en conditions acides. Dans cette étude, nous avons exploré deux approches de synthèse de la photoanode par trempage-retrait : i la chimie sol-gel et ii le dépôt d’une suspension colloïdale. Pour améliorer le photo-courant et la stabilité de l’électrode, nous avons exploré deux stratégies : modifier la structure de BiVO4 en dopant avec du molybdène pour influencer le transport de charge à l'intérieur du matériau, améliorer la réactivité de surface en ajoutant un co-catalyseur cobalt-phosphate. Dans cette dernière approche, nous avons étudié la cinétique de transfert de charge en ajoutant un co-catalyseur à la surface de BiVO4 et la passivation de la surface grâce à une couche ultramince de TiO2. Enfin, nous avons synthétisé une hétérojonction BiVO4-V2O5 en s’inspirant d’une approche de type "brique-mortier", dans laquelle la taille et la structure des particules de BiVO4 sont contrôlées.

Photoelectrochemical water-splitting is an innovative solution for sustainable dihydrogen production. To create a self-sustaining photoelectrochemical cell capable of performing water electrolysis without the need for external energy input, the development of efficient photoactive materials within a single electrolyte is essential. In this context we have studied bismuth vanadate (BiVO4) semiconductor as promising photoanode for water oxidation in acidic conditions where photocathodes are efficient. However, little research has been carried out into its effectiveness and durability in an acid environment. In this thesis, we studied the performance of this electrode in an acidic environment by developing two approaches to the manufacture of photoanodes based on dip-coating: i sol-gel chemistry and ii colloidal suspension. To enhance photocurrents and electrode stability, we explored two strategies: modifying the electrode composition by doping it with molybdenum to influence charge transport within the material, and improving surface reactivity by adding a cobalt-phosphate co-catalyst. For the latter, we analysed the charge transfer kinetics with the addition of a co-catalyst and the passivation of the surface with an ultrathin TiO2 layer, obtained by the sol-gel or ALD process. Finally, we synthesized a BiVO4- V2O5 heterojunction based on a ‘brick and mortar’ approach, in which the size and structure of BiVO4 particles are controlled.