Conversion photoélectrocatalytique du CO2 dans une solution de mélange ionique liquide/aqueux étudiée par microscopie électrochimique à balayage

Photoelectrocatalytic CO2 conversion in ionic liquid/aqueous mixture solution studied by scanning electrochemical microscopy

• Auteur / Autrice : Lin Zhang
• Direction : Carlos Manuel Sánchez-Sánchez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie physique
• Date : Soutenance le 15/10/2020
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interfaces et systèmes électrochimiques (Paris ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : David Portehault
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vincent Vivier
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Maria Concepción Ovin Ania, Enrique Herrero

Mots clés

Mots clés contrôlés

Imidazolium -- Composés

Semiconducteurs

Catalyseurs à base de métaux de transition

Microscopie électrochimique à balayage

Photoélectrochimie

Mots clés libres

Réaction photoélectrochimique de réduction du CO2

Réaction électrochimique de réduction du CO2

Microscopie électrochimique à balayage

Microscopie photoélectrochimique à balayage

Liquides ioniques à base d'imidazolium

Catalyseurs métal de transition-azote-carbone

Photoelectrochemical CO2 reduction reaction

Electrochemical CO2 reduction reaction

Scanning electrochemical microscopy

Scanning photoelectrochemical microscopy

Imidazolium based room-temperature ionic liquids

Transition metal–nitrogen–carbon catalysts

Résumé

Cette thèse concerne l’étude de la réaction photoélectrochimique de réduction du CO2 (PEC CO2RR) sur le semi-conducteur de type p CuCo2O4 en abordant le rôle cocatalytique des RTIL à base d'imidazolium par microscopie photoélectrochimique à balayage (SPECM). Le CuCo2O4 a été étudié dans différents électrolytes supports, notamment une solution aqueuse, une solution de mélange binaire (25 vol.% [C2mim][BF4]/H2O et 25 vol.% [C4mim][BF4]/H2O) et des liquides ioniques pur pour explorer par SPECM le rôle des RTIL dans les performances des PEC. Un courant de photoréduction significativement amélioré sous l'éclairage UV-vis et visible est obtenu dans une solution à 25 vol.% [C2mim][BF4]/H2O. Seul le CO généré par la PEC CO2RR a été détecté sur une fibre optique à double sonde - ultra-microélectrode (OF-UME) développée au laboratoire et sur une électrolyse en volume sous illumination. La formation de CO à des potentiels plus positifs que la valeur thermodynamique est rapportée ici et il est clairement indiqué que la réduction directe du CO2 à la surface de l'électrode n'est pas le mécanisme. Un schéma de réaction possible pour la PEC CO2RR par l'intermédiaire de [C2mim]+ est proposé. Ainsi, nos résultats ont démontré pour la première fois le rôle cocatalytique de [C2mim]+ pour le PEC CO2RR. En outre, la CO2RR électrochimique a également été étudiée sur divers catalyseurs de métaux de transition, d'azote et de carbone (M–N–Cs). 25%Fe25%Co–N–C a montré la meilleure performance parmi les M–N–Cs étudiés. La présence de sites Co a fourni un effet synergique pour la génération de microcubes distribués riches en Fe, qui agissent comme des sites actifs dans la CO2RR électrochimique.

This thesis studies photoelectrochemical CO2 reduction reaction (PEC CO2RR) on p-type semiconductor CuCo2O4 addressing the cocatalytic role of imidazolium based RTILs by scanning photoelectrochemical microscopy (SPECM). CuCo2O4 was studied in different solvent supporting electrolyte systems including: aqueous solution (0.1 M KHCO3 and 0.1 M Na2SO4), binary mixture solution (25 vol.% [C2mim][BF4]/H2O and 25 vol.% [C4mim][BF4]/H2O) and pure RTILs ([C2mim][BF4], [C4mim][BF4]) to explore by SPECM the role of RTILs in CuCo2O4 semiconductor PEC performance. Significantly enhanced photoreduction current under both UV-vis and visible light illumination is reported in 25 vol.% [C2mim][BF4]/H2O solution. Only CO generated from PEC CO2RR was detected using an in-situ detection method based on a home-made dual tip optical fiber-ultramicroelectrode (OF-UME) and from bulk electrolysis under illumination. The formation of CO at potentials more positive than the thermodynamic value clearly points out that direct CO2 reduction on the electrode surface is not the mechanism. A possible reaction scheme for the PEC CO2RR mediated by [C2mim]+ is proposed. Thus, our results have demonstrated for the first time the cocatalytic role of [C2mim]+ for the PEC CO2RR. In addition, electrochemical CO2RR has also been studied on various synthesized transition metal–nitrogen–carbon catalysts (M–N–Cs) by rotating disk electrode. 25%Fe25%Co–N–C exhibited the best performance among the studied M–N–Cs in this thesis. The presence of Co sites in that catalyst provided synergic effect for the generation of distributed Fe-rich microcubes, which act as active sites in electrochemical CO2RR.