Photocatalyseurs actifs dans le visible pour l'oxydation de l'eau : vers les bioraffineries solaires

Visible light-driven catalysts for water oxidation : towards solar fuel biorefineries

• Auteur / Autrice : Kristine Tolod
• Direction : Elsje Alessandra Quadrelli, Simelys Hernandez, Nunzio Russo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie industrielle durable
• Date : Soutenance le 06/05/2019
• Etablissement(s) : Lyon en cotutelle avec Politecnico di Torino
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Chimie (Lyon ; 2004-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Ecole supérieure de chimie physique électronique de Lyon
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Daniele
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Elsje Alessandra Quadrelli, Simelys Hernandez, Nunzio Russo, Alessandro Minguzzi, Maria Cristina Paganini
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stefania Albonetti, Teresa Andreu Arbella

Mots clés

Mots clés contrôlés

Passivité (chimie)

Craquage photoélectrochimique de l'eau

Photocatalyse

Mots clés libres

Photocatalyseurs

Séparation photoélectrochimique de l'eau

BiVO4

Passivation

Photocatalysts

Photoanodes

Photoelectrochemical water splitting

BiVO4

Passivation

Résumé

La séparation photoélectrochimique de l'eau (PEC) est un moyen direct de produire un combustible solaire tel que l'hydrogène à partir de l'eau. Le goulot d'étranglement de ce processus se situe dans la photoanode, qui est responsable du côté oxydation de la réaction1,2. Dans ce travail, l'utilisation de BiVO4 en tant que photoanode a été largement étudiée afin d'améliorer sa photoactivité. L’optimisation de la synthèse de photoanodes BiVO4 par électrodéposition en couche mince sur du FTO a été réalisée. Les facteurs influant sur l'activité photoélectrochimique, tels que le temps d'électrodéposition, le rapport Bi-KI/benzoquinone-EtOH dans le bain de dépôt et la température de calcination, ont été étudiés à l'aide de la conception composite centrale d'expériences. Les états de surface sur la surface de BiVO4 donnent lieu à des niveaux de défaut pouvant induire une recombinaison électron-trou via le mécanisme de Shockley-Read-Hall5. Afin de minimiser les inefficacités dues à la recombinaison électron-trou et passiver les états de surface, des couches de recouvrement ultra-fines d'Al2O3 et de TiO2 ont été déposées sur les électrodes en film mince BiVO4 d'une manière analogue à l'ALD. Cela a également été réalisé afin de protéger la surface de BiVO4 de la photocorrosion et d’augmenter sa stabilité. Une densité de photocourant de 0,54 mA/cm2 à 1,23 V vs RHE a été obtenue pour les 2 cycles de BiVO4 modifié par Al2O3, comme le montre la Figure 2, soit une amélioration de 54% par rapport à la BiVO4 nue qui démontrait une densité de photocourant de 0,35 mA/cm2. à 1,23 V vs RHE. Une augmentation de 15% de la stabilité de l'électrode de BiVO4 modifiée par Al2O3 a également été observée au cours de 7,5 heures d'irradiation continue. De plus, grâce aux mesures de capacité de surface présentées à la Figure 3, il a été montré que la surcouche de Al2O3 passivait effectivement à passiver les états de surface des électrodes de BiVO4. La nature de la surface de BiVO4 a été étudiée en étudiant la réactivité de la poudre de BiVO4 avec un titrant chimique. L’existence de groupes hydroxyle de surface sur BiVO4 a été confirmée et quantifiée (max. 1,5 OH / nm2) par titrage chimique. La réaction de la poudre de BiVO4 avec une impulsion de AlMe3 et une impulsion de H2O a montré qu'il existait 1,2 molécules de CH4 dégagées par Bi-OH. Dans ce travail, nous avons pu mettre en évidence les facteurs importants dans la synthèse de BiVO4 et leur incidence sur la photoactivité résultante. Nous avons également réussi à passiver les états de surface de BiVO4 en utilisant Al2O3, ce qui n’est pas bien exploré dans la littérature. De plus, nous avons pu sonder et discuter de la nature de la surface de BiVO4. Ceci est une connaissance très fondamentale et le premier rapport à ce sujet, à notre connaissance. Une bonne compréhension de cette surface semi-conductrice importante et de ses interactions facilitera la conception d'un photoanode BiVO4 plus efficace

Photoelectrochemical (PEC) water splitting is a direct way of producing a solar fuel like hydrogen from water. The bottleneck of this process is in the photoanode, which is responsible for the water oxidation side of the reaction1,2. In this work, the use of BiVO4 as a photoanode was extensively studied in order to improve its photoactivity. The optimization of BiVO4 photoanode synthesis via thin film electrodeposition on FTO was performed. The factors affecting the photoelectrochemical activity such as the electrodeposition time, ratio of the Bi-KI to benzoquinone-EtOH in the deposition bath, and the calcination temperature, have been investigated by using the Central Composite Design of Experiments.Surface states on the BiVO4 surface give rise to defect levels, which can mediate electron-hole recombination via the Shockley-Read-Hall mechanism5. In order to protect the BiVO4 surface and minimize the inefficiencies due to electron-hole recombination and passivate the surface states, ultrathin overlayers of Al2O3 and TiO2 were deposited to the BiVO4 thin film electrodes in an ALD-like manner. A photocurrent density of 0.54 mA/cm2 at 1.23 V vs RHE was obtained for the 2 cycles Al2O3-modified BiVO4, which was a 54% improvement from the bare BiVO4 that demonstrated a photocurrent density of 0.35 mA/cm2 at 1.23 V vs RHE. A 15% increase in stability of the Al2O3- modified BiVO4 electrode was also observed over 7.5 hours of continuous irradiation. Moreover, through surface capacitance measurements, it was shown that the Al2O3 overlayer was indeed passivating the surface states of the BiVO4 electrodes. The nature of the BiVO4 surface was studied by investigating the reactivity of powder BiVO4 with a chemical titrant. The existence of surface hydroxyl groups on BiVO4 was confirmed and quantified (max 1.5 OH/nm2) via chemical titration. The reaction of the BiVO4 powder with one pulse of AlMe3 and 1 pulse of H2O showed that there were 1.2 molecules of CH4 evolved per Bi-OH. In this work, we were able to highlight which factors are important in the synthesis of BiVO4, and how they affect the resulting photoactivity. We have also achieved the passivation of the BiVO4 surface states using Al2O3, which is not well-explored in literature. Moreover, we were able to probe and discuss the nature of the BiVO4 surface. This is a very fundamental knowledge and the first report of such, to the best of our knowledge. A good understanding of this important semiconductor surface and its interactions will aid in the design of a more efficient BiVO4 photoanode