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Johanna Toupin

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



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Publié le 9 février 2016


Thèse soutenue le 09 février 2016 pour obtenir le grade de Docteur de l’Université Pierre et Marie Curie (Paris VI) - Spécialité : Physique et Chimie des matériaux

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.

Jury :
Rapporteur : M. Fabrice Odobel
Rapporteur : M. Benoît Piro
Examinateur : M. Marc Fontecave
Examinateur : M. Kevin Sivula
Directrice de thèse : Mme Christel Laberty-Robert
Co-Directeur de thèse : M. Vincent Artero
Encadrant : M. Henri Strub

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