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Miquelot, Adeline. Propriétés structurales, optiques et électriques d'hétérojonctions Co3O4/TiO2 déposées par MOCVD pour l'étude de la production de dihydrogène par dissociation photocatalytique de l'eau

Miquelot, Adeline (2019). Propriétés structurales, optiques et électriques d'hétérojonctions Co3O4/TiO2 déposées par MOCVD pour l'étude de la production de dihydrogène par dissociation photocatalytique de l'eau.

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Résumé en francais

Dans le contexte de réchauffement climatique global, l'hydrogène représente un vecteur d'énergie dont ni la combustion, ni l'utilisation dans une pile à combustible ne génère de gaz à effet de serre. La photolyse de l'eau est une des voies de production verte d'H2. Cette réaction peut être catalysée par l'emploi de TiO2, semi-conducteur de type n. Celui-ci n'absorbe cependant que la partie UV du spectre lumineux, et n'exploite donc que 5% du rayonnement solaire atteignant la Terre. L'ajout de Co3O4, un semi-conducteur de type p absorbant dans le visible, dans une architecture bicouche, permet d'élargir la gamme spectrale d'absorption et permettrait aussi la création d'une hétérojonction p-n, qui faciliterait la séparation des charges impliquées dans les réactions d'oxydo-réduction de la dissociation photocatalytique de l'eau. L'objet de cette thèse est l'étude des activités photocatalytiques d'hétérojonctions Co3O4/TiO2 déposées par MOCVD, via leurs propriétés microstructurales, optiques et électriques. L'étude montre que les couches de TiO2 sont composées d'anatase cristallisée, dont la morphologie varie de dense à colonnaire et poreuse lorsque la température de dépôt (Td) augmente. Les films les plus poreux montrent les meilleurs résultats de photogénération d'H2, ce qui peut être majoritairement attribué à la très grande surface spécifique, mais également à des aspects de structure de bandes et de diffusion de la lumière. Leur plus faible conductivité ne semble pas être un facteur dommageable prépondérant. La gamme de Td choisie pour les films d'oxyde de cobalt permet d'obtenir la phase Co3O4 spinelle, exclusivement. L'augmentation de l'épaisseur de ces films de ?30 à ?100 nm conduit à l'augmentation de leur conductivité. L'activité photocatalytique des films de Co3O4 n'est pas détectable. Le comportement semi-conducteur de type p est établi et il est démontré pour la première fois que le transport des charges a lieu à travers les grains par un mécanisme de Mott de saut à distance variable. Différentes hétérojonctions sont ensuite étudiées, en utilisant une couche de TiO2 colonnaire ou dense, surmontée d'une couche de Co3O4 de différentes épaisseurs. L'étude photocatalytique montre que sur TiO2 colonnaire, l'ajout d'une couche épaisse de Co3O4 diminue la quantité d'H2 photogénéré (mais la production reste supérieure à celle des monocouches de Co3O4). La photogénération d'H2 diminue davantage quand l'épaisseur du Co3O4 sur TiO2 colonnaire diminue. Par ailleurs, les hétérojonctions composées de Co3O4 épais sur TiO2 dense montrent le même effet. Ce comportement est discuté en fonction de la structure de bande des hétérojonctions.

Sous la direction du :
Directeur de thèse
Vahlas, Constantin
Debieu, Olivier
Ecole doctorale:Sciences de la matière (SdM)
laboratoire/Unité de recherche :Centre Interuniversitaire de Recherche et d'Ingénierie des MATériaux (CIRIMAT), UMR 5085
Mots-clés libres :Hydrogène - Dissociation photocatalytique de l'eau - TiO2 - Co3O4 - Hétérojonctions - MOCVD
Sujets :Sciences des matériaux
Déposé le :08 Oct 2020 15:45