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Barros Barbosa, Juliana. Matériaux 2D TMDC pour la génération d'hydrogène par photo-décomposition de l'eau

Barros Barbosa, Juliana (2020). Matériaux 2D TMDC pour la génération d'hydrogène par photo-décomposition de l'eau.

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Résumé en francais

Le stockage de l'énergie solaire en énergie chimique est une approche hautement souhaitable pour résoudre le défi énergétique. Les cellules photo-électrochimiques combinent la collecte de l'énergie solaire et la décomposition de l'eau. Les nanofeuillets semiconducteur 2D de di-chalcogenures de métaux de transition (TMDC) sont considérés comme des matériaux attrayants pour l'élaboration de photocatalyseur efficace pour la conversion de l'énergie solaire en hydrogène. Malgré les propriétés optoélectroniques uniques des TMDC, la passivation de défauts de surface présents en concentration élevée est un défi important pour le développement de cette classe de matériaux. Dans ce contexte, le présent travail a concerné l'élaboration d'un photocatalyseur 2D TMDC pour la photo-décomposition de l'eau. Le développement de photocatalyseurs de haute performance a été examiné suivant deux axes principaux. Un premier axe de recherche consiste à passiver les défauts de surface des nanofeuillets 2D p-WSe2 à l'aide de complexes Mo-S pour diminuer la recombinaison des porteurs de charge photo-générés et améliorer l'activité photocatalytique. Nous avons démontré que des couches ultra minces de complexes thio et oxo-thio-Mo moléculaires représentent une classe idéale de catalyseurs, bien adaptée pour fonctionnaliser les matériaux 2D car ils sont stables dans des environnements aqueux, bon marché, respectueux de l'environnement. Des densités de courant de -2 mA cm-2 à -0.2 V par rapport à l'électrode d'hydrogène (NHE) ont été obtenues pour la nouvelle photocathode p-WSe2/ MoxSy. En plus d'offrir une activité électro-catalytique élevée, les films complexes Mo se sont révélés capables de guérir les défauts de surface. Les contributions respectives aux effets catalytiques et cicatrisants observées expérimentalement pour les divers complexes moléculaires de Mo impliquaient la forte adsorption sur les défauts ponctuels du substrat 2D WSe2 de complexes de Mo tels que (MoS4)2-, (MoOS3)2- et (Mo2S6O2)2-. Il a été démontré que ces couches de co-catalyseur Mo-S formés à un pH bien défini présentent un comportement n-semi-conducteur et l'ingénierie des bandes formées avec p-WSe2 s'est révélée appropriée pour assurer la séparation des charges et la migration efficace des électrons photo-induits pour la RDH, représentant un exemple de couche de passivation multi-composant avec de multiples propriétés. Un deuxième axe de travail concerne l'optimisation de la nanostructure du film de WSe2 comme objectif l'obtention d'une surface spécifique élevée et des parois de pores composées de quelques monofeuillets. Des films de WSe2 nanostructurés de haute surface et à bonne collecte de porteurs de charge ont été obtenus par co-assemblage des nanofeuillets de WSe2 et des nanofeuillets d'oxyde de graphène réduit (rGO) avec un rapport de nanofeuillets rGO/WSe2 optimal. Après dépôt de la couche ultra mince de co-catalyseur les nouvelles nanojunctions de rGO-WSe2/MoxSy ont présenté des photocourants jusqu'à -5 mA cm-2 à -0.2 V vs NHE. Des rendements quantiques d'environ 10% ont été obtenus pour des films de nanoplaquettes de WSe2 de 70 nm d'épaisseur en présence de rGO et catalyseur MoxSy. Le potentiel de notre procédé d'auto-assemblage en présence de nanofeuillets de TMDC et de rGO a été illustré avec l'obtention de microstructure optimisée de films de p-MoS2, p-WSe2 et p-WS2. Dans une perspective à plus long terme, les photoelectrodes basées sur des nanofeuillets de TMDC sont des candidats intéressants pour la conception de cellules tandem offrant des valeurs de band-gap (Eg) et présentant des potentiels de dégagement d'hydrogène modulables.

Sous la direction du :
Directeur de thèse
Chane-Ching, Jean-Yves
Taberna, Pierre-Louis
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 :Photocatalyse - Matériaux 2D TMDC - Energie solaire - Génération d'H2
Sujets :Sciences des matériaux
Déposé le :17 Dec 2020 09:55