Propriétés physico-chimiques de solutions colloïdales photosensibles à base d'oxyde de titane

Physicochemical properties of photosensible titanium oxyde collodal solutions

• Auteur / Autrice : Boryana Todorova
• Direction : Luc Brohan, Hélène Terrisse-Viallis
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science de matériaux, chimie du solide
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Nantes
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Nantes. Faculté des sciences et des techniques

Mots clés

Mots clés contrôlés

Colloïdes

Nanotechnologie

Sol-gel, Procédé

Oxyde de titane

Résumé

La synthèse de solutions colloïdales constitue une voie attractive pour l'obtention d'objets structurés à l'échelle nanométrique, car elle permet de contrôler à la fois leur taille, leur morphologie et leur compositon. Ainsi, de nouveaux sols et gels hybrides ont récemment été développés au sein de l'Institut des Matériaux Jean Rouxel de Nantes, à partir de deux précurseurs inorganiques de titane (TiOC12. 1,4HC1,7H2O et [Ti8O12(H2O)24] C18. HC1. 7H2O) et du N,N-Diméthylformamide. L'objet de ce travail consiste en l'étude des sols monodisperses et stables ainsi obtenus, contenant des petits clusters d'oxyde de titane de diamètre hydrodynamique proche du nanomètre, pour des concentrations en titane comprises entre 0,05 et 0,7 mol. L-1. La taille et le potentiel zêta de ces oligomères ont été caractérisés par Diffusion Dynamique de la Lumière et mesure de leur mobilité électrophorétique. Le rôle actif du solvant organique dans le processus de polycondensation a été mis en évidence par Spectroscopies Infra Rouge, Raman et RMN. Ces objets nanométiques possèdent des propriétés photo-électrochimiques originales. Après illumination sous UV, ils absorbent des photons d'énergie inférieure à la largeur de la bande interdite, en raison de la formation d'une bande intermédiaire dans le gap du semi-conducteur. Ces matériaux à bande intermédiaire représentent ainsi des candidats prometteurs pour développer de nouvelles cellules photovoltaïques de troisième génération et des photobatteries. En effet, l'extension du domaine d'absorption de l'UV-visible jusqu'au proche Infrarouge doit permettre de dépasser les limites de conversion actuelles des cellules photovoltaïques conventionnelles.

Liquid phase colloidal synthesis is a powerful tool for obtaining structured objects at the nanometric scale, since this method allows the control of their size, shape, and composition. Following this approach, new hybrid sols and gels were recently developed at the «��Institut des Matériaux Jean Rouxel »of Nantes, involving the reaction between titanium inorganic precursors (TiOC12. 1,4HC1. 7H2O and [Ti8O12(H2O)24]C18. HC1. 7H2O) and N,N-Dimethylformamide. The present work deals with the well stabilized sols thus obtained, which contain monodispersed titanium oxide clusters with diameters close to one nanometer, for titanium concentrations ranging from 0,05 to 0,7 mol. L1 The size and zeta potential of these oligomers were characterized by Dynamic Light Scattering and electrophoretic mobility measurements. In order to elucidate the mechanisms of polycondensation, where the organic solvent plays an active rôle, the sols were investigated by Infrared, Raman, and NMR Spectroscopies. These new nano-objects exhibit original photo-electrochemical properties. After UV illumination, they can absorb photons with energy lower than the band gap, because of the formation of an intermediate level within the band gap of the semiconductor. These materials with intermediate band are promising candidates for the development of new third-generation photovoltaic cells and photobatteries. Indeed, the extension of the absorption domain from UV-visible until near Infrared wavelengths would allow to overcome the conversion efficiency of conventionnal photovoltaic cells.