Fonctionnalisation de photoélectrodes nanostructurées par atomic layer deposition pour la photodissociation de l’eau

Functionalization of nanostructured photoelectrodes by atomic layer deposition for water photodissociation

• Auteur / Autrice : Maxime Dufond
• Direction : Lionel Santinacci
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matière condensée et Nanosciences
• Date : Soutenance le 19/11/2019
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Physique et sciences de la matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Interdisciplinaire de Nanoscience de Marseille (CINAM)
• Jury : Président / Présidente : Suzanne Giorgio
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gabriel Loget, David Grosso, Jean-Manuel Decams
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : David Muñoz-Rojas, Valérie Keller

Mots clés

Mots clés contrôlés

Tomographie en microscopie électronique

Silicium poreux

Photodissociation

Mots clés libres

.

Résumé

Le développement rapide des technologies utilisant du dihydrogène comme carburant nécessite le développement d’une production à bas coût et respectueuse de l’environnement. Une des voies prometteuses pour relever ce défi est la photodissociation de l’eau à la surface d’électrodes semi-conductrices immergées dans un électrolyte aqueux. Ce travail de thèse se focalise sur l’élaboration, la caractérisation physico-chimique et photoélectrochimique de la photoanode. Le silicium peut être utilisé pour remplir ce rôle grâce à ses propriétés électroniques adaptées pour l’oxydation de l’eau. Malheureusement, sa forte réflectivité et sa faible stabilité en milieu alcalin limite son utilisation. La stratégie adoptée durant ce travail est la combinaison de la structuration de surface (diminution de la réflectivité, augmentation de la surface active et orthogonalisation du parcours des photons et des charges photogénérées) avec un dépôt par Atomic Layer Deposition (ALD) d’un film protecteur et d’un co-catalyseur. Cette approche a permis la fabrication et l’étude de deux systèmes complexes stables et efficaces pour la photooxydation de l’eau : n-Si/TiO2/Ni et n-Si/Fe2O3/IrO2/TiO2. La fonctionnalisation a été effectuée exclusivement par ALD avec un contrôle quasi-parfait de l’épaisseur et de la composition des couches déposées. Différentes structures de silicium ont été obtenues par méthodes électrochimiques et les différentes morphologies (macroporeux, nanospikes et micropiliers de silicium de 8, 20 et 40 μm) ont été comparées pour mettre en lumière une éventuelle relation structure/propriétés.

The development of low-cost and green production of dihydrogen is required due to the rapid development of technologies using this fuel. In this context, water-photosplitting using semi-conductive materials immersed in an aqueous electrolyte is a leading approach. This work focuses on the fabrication, physico-chemical characterization as well as photoelectrochemical study of the photoanode. Silicon can be used due to its appropriate electronic properties well suitable for water oxidation. Unfortunately, it suffers from major drawbacks as a high reflectivity and unstability in alcaline media. The strategy is to combine the Si surface structuring (decrease of the reflectivity, increase of the active area and orthogonalization of the paths of absorbed photon and photogenerated carriers) with the coating using of a protective film and a co-catalyst by Atomic Layer Deposition (ALD). This approach leads to the synthesis and the study of the complex, stable and efficient systems for water photooxidation: n-Si/TiO2/Ni et n-Si/Fe2O3/IrO2/TiO2. Functionalization has been performed exclusively by ALD with a near perfect control of both thickness and chemical composition of the layers. Different structures have been used and compared to try to highlight a structure/properties relation (macroporous, nanospikes and pilars).