Développement de nouveaux procédés de synthèse de carbon dots dopés pour des applications en photocatalyse

L'exploitation des énergies fossiles pose de véritables problèmes environnementaux. Ainsi, le développement d’énergies renouvelables et de nouveaux vecteurs énergétiques est nécessaire. Le projet consiste à élaborer des photo-électrodes à base de semi-conducteurs dopés par des carbon dots (C-dots) et à développer un dispositif efficace pour la production d'hydrogène par craquage photo-électrochimique de l’eau en utilisant uniquement l’énergie solaire.  

Avec l'explosion démographique et l'émergence de nouveaux géants économiques, l’impact de l'humanité sur l’environnement augmente progressivement. En particulier, l'exploitation massive des énergies fossiles ces dernières décennies dans les sociétés industrialisées pose de graves problèmes environnementaux. L'émission de gaz à effet de serre tels que le dioxyde de carbone (CO,) induisant le réchauffement planétaire est un exemple de l'impact sur la Terre de nos consommations énergétiques actuelles. Le développement de nouvelles technologies énergétiques alternatives devient une priorité. Dans ce contexte, l'hydrogène (H,) apparaît de nos jours comme un très bon vecteur énergétique.  

Comment rendre la production du dihydrogène plus propre ?

L'hydrogène actuellement utilisé est principalement issu du reformage catalytique de combustibles fossiles. Le développement d'une approche plus viable basée sur la production d'hydrogène à partir de sources vertes et renouvelables et sans formation de dioxyde de carbone est nécessaire. L'énergie solaire apparaît ainsi comme une excellente source d'énergie alternative et peut être utilisée pour conduire au craquage photo-électrocatalytique de l'eau, la réduction des protons (H*) conduisant à la production d'hydrogène. 1018 KWh d’énergie solaire pourraient être récupérés chaque année du Soleil, c’est-à-dire 6000 fois la consommation annuelle mondiale énergétique. Par ailleurs, les mers et océans recouvrent environ 70% de la surface de la Terre.

L'utilisation de ces deux sources d'énergie combinées semble ainsi être prometteuse pour la production d'énergie propre. Le principe consiste alors à développer des cellules photo-électrochimiques disposant d'une photo-anode à la surface de laquelle l'oxydation de l'eau est effectuée. Les électrons (e”) sont ensuite injectés dans un circuit extérieur jusqu'à une cathode, généralement en platine, au niveau de laquelle les protons sont réduits. 

Nombreux photocatalyseurs de type semi-conducteur utilisés comme matériaux d'électrodes soufrent de sérieux inconvénients pour un éventuel transfert technologique et pour une utilisation industrielle. En effet, le domaine actif de nombreux photocatalyseurs classiques est limité au domaine de l'UV. D'autres inconvénients concernent la conductivité relativement faible de ces matériaux semi-conducteurs ainsi que les processus de recombinaison trop rapides des paires électron-trou limitant l'efficacité de ces matériaux semi-conducteurs en photocatalyse.  

Dans le cadre de ce projet, nous envisageons d'utiliser des carbon dots (C-dots) comme co-catalyseurs pour plusieurs types de matériaux photocatalytiques, dans le but de montrer qu'il est possible de combiner les propriétés de ces nouvelles nanoparticules de carbone et de les utiliser à la fois en tant que photosensibilisateurs et en tant que promoteurs des processus de transfert de charge, ce qui serait une première dans le domaine de la photocatalyse. La production d'hydrogène par photo-électro décomposition de l'eau est choisie comme réaction modèle dans cette étude, et les matériaux semi-conducteurs utilisés sont des oxydes de tungstène.  

Méthodologie adoptée

• Le projet est organisé en quatre étapes principales :  
• Synthèse de d’oxydes de tungstène (WO;), de polyoxométallates (POMS), de carbon dots (C-dots) et d’hybrides C-dots-oxydes de tungstène,  
• Élaboration des photo-électrodes,
• Applications photo-électrocatalytiques, développement d'un dispositif photo-électrochimique efficace pour la production d'hydrogène et  
• Études physiques de la mobilité des porteurs de charges et des transferts électroniques. 

• Interfaces, Traitements, Organisation et Dynamique des Systèmes (Paris ; 2001-....) 

• Université Paris Cité 

• Paris

• Date de début : Janvier 2019
• Durée : 36 mois 

• Cette thèse est cofinancée par l'ADEME et l’Université Paris Cité
• Elle est co-dirigée par Mme Delphine Schaming