Développement d’interfaces électro-plasmoniques innovantes : application dans des réactions d’oxydoréduction

Development of electro-plasmonic interfaces : application to different redox reactions

• Auteur / Autrice : Tamazouzt Nait Saada
• Direction : Sabine Szunerits, Dalila Meziane
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro-nanosystèmes et capteurs
• Date : Soutenance le 15/12/2020
• Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021) en cotutelle avec Université Mouloud Mammeri (Tizi-Ouzou, Algérie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille ; 1992-2021)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie
• Jury : Président / Présidente : Sabine Szunerits
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sabrina Sam, Erwann Guénin, Lamia Hamadou, Rabah Boukherroub, Sabine Szunerits
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sabrina Sam

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanoparticules d'or

Oxydes de cuivre

Nanocatalyseurs

Oxydoréduction

Oxydation

Eau

Électrocatalyse

Résonance plasmonique de surface

Mots clés libres

Réaction de réduction de l'oxygène

Réaction d'évolution de l'oxygène

Résumé

Les transformations chimiques assistées par plasmon sont devenues des approches prometteuses pour l’amélioration des réactions électrocatalytiques lentes telles que la réaction de réduction de l'oxygène (ORR) et la réaction d'évolution de l'oxygène (OER). La construction des piles à combustibles et des batteries métal-air de haute qualités, nécessite un processus de transfert à quatre électrons (4 e-), ce dernier est reconnue par sa complexité ce qui le rend comme un obstacle pour L’ORR. Ce– ci s’applique de même à l'oxydation de l'eau. Ainsi, l’amélioration des performances catalytiques et cinétiques de l’ORR et l’OER est très recherchée.Lors de ce travail de thèse, deux différentes stratégies basées sur la génération d'électrons chauds induits par plasmon ont été envisagées pour améliorer les processus électrocatalytiques. La combinaison des propriétés électrochimiques, plasmoniques et catalytiques d’une électrode d’or nanoperforées a permis d'améliorer considérablement la réaction de réduction de l’oxygène (ORR) au milieu basique. L’irradiation par la lumière à 980 nm et 2 W cm-2 conduit à une densité de courant maximale de j = -6,0 A cm-2 à 0,95 V (par rapport au RHE), dans des conditions hydrodynamiques,comparable à ceux du catalyseur commercial Pt/C (40 wt. %), avec une bonne stabilité. L’influence de la longueur d'onde sur cette réaction électrochimique confirme la contribution de l’effet plasmique dans l’activité electrocatalytiques. Dans le cas de l’OER, une électrodes en or modifiées par des nano-hybrides plasmoniques, à base de nanocristaux de Cu2O décorés de nanoparticules d'or, a montré son efficacité dans la transformation de l'eau en oxygène, le comportement electrocatlytique de cette réaction d’oxydation est influencer par la morphologie des nanocristaux de Cu2O. En effet les Cu2O cubiques sont plus efficace que les Cu2O octaédriques pour l'électrocatalyse plasmonique .Dans les meilleurs conditions testés une densité du courant 10 mAcm-2 avec une constante de Tafel de 97mVdec-1 ont été obtenus à une surtension de seulement 200 Mv ont eté obtenue pour la forme cubique.

Plasmon-driven chemical transformations have become promising approaches for enhancing sluggish electrocatalytic reactions such as the oxygen reduction reaction (ORR) and oxygen evolution reaction (OER). The complex four-electron transfer process taking place in ORR has been recognized as barrier for the construction of high-quality fuel cells and metal-air batteries. The same is true for the oxidation of water. Any improvement in the performance of the ORR and OER kinetics is highly sought after.In this thesis, two different strategies based on the generation of plasmon-induced hot electrons were investigated. In the case of ORR, the intertwined plasmon-catalytic-electrochemical properties of a nanoperforated gold thin film electrodes allowed to significantly enhance the ORR under alkaline conditions. Irradiation with light at 980 nm and 2 W cm-2 resulted in maximal current densities of j = -6.0 A cm-2 at 0.95 V vs. RHE, under hydrodynamic conditions, comparable to that of commercial Pt/C (40 wt. %) catalysts, with good long-term stability. The wavelength-dependent electrochemical reduction confirmed that the hot carriers formed during plasmon decay are responsible for the improved electrocatalytic performance. In the case of OER, a gold electrode modified with plasmonic nanohybrids based on gold nanoparticle decorated Cu2O nanocrystals efficiently enhanced the transformation of water to oxygen. It could be shown that the morphology of Cu2O nanocrystals has a strong influence on the electrocatalytic behaviour for OER in basic medium, with cubic Cu2O being more efficient for plasmon-enhanced electrocatalysis than octahedral Cu2O : 10 mAcm-2 with a Tafel constant 97mVdec-1 were achieved at overpotential of only 200 mV.