Vers la photosynthèse artificielle : complexes moléculaires hétérogénéisés pour l'électroréduction du CO2 et optimisation des cellules photovoltaïques à pérovskite

Towards artificial photosynthesis : heterogenized molecular complexes for CO2 electroreduction and optimization of perovskite solar cells

• Auteur / Autrice : Silvia Pugliese
• Direction : Marc Fontecave, Bao-Lian Su
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 25/04/2022
• Etablissement(s) : Sorbonne université en cotutelle avec Université de Namur
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie moléculaire de Paris Centre (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de chimie des processus biologiques (Paris ; 2014-....)
• Jury : Président / Présidente : Yann Garcia
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christel Laberty-Robert, Damien Debecker, Luca Fusaro, Antoni Llobet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yann Garcia, Elodie Anxolabéhère-Mallart

Mots clés

Mots clés contrôlés

Pérovskites

Réduction électrochimique

Catalyseurs

Photosynthèse artificielle

Dioxyde de carbone

Mots clés libres

Photosynthèse artificielle

Électroréduction du CO2

Catalyseur moléculaire

Nickel cyclam

Cellule photovoltaïque à pérovskite

TiO2 mésoporeux

CO2 electroreduction

Nickel Cyclam

Perovskite solar cells

Résumé

Le premier objectif du présent projet a été d'obtenir des catalyseurs moléculaires réducteurs de CO2 sous forme pure et active et d'intégrer ces catalyseurs dans des électrodes poreux nanostructurés. Dans le but d'immobiliser un complexe [Ni(cyclam)]2+ à la surface d'une électrode, deux nouveaux dérivés de cyclam portant une substitution pyrène ont été synthétisé. Les complexes s'ont avéré beaucoup plus actif sous la forme immobilisée que dans des conditions homogènes, avec des rendements faradiques pour la production de CO supérieurs à 90% et des densités de courant allant jusqu’à 10 mA.cm-2 dans un mélange acétonitrile/eau. De plus, pour un des deux nouveaux complexes, les électrodes hybrides ont maintenu la sélectivité pour le CO avec la valeur FY la plus élevée (82%) obtenue à -0,8 V vs RHE (densité de courant 6 mA cm-2) dans un milieu aqueux. Le second objectif de cette thèse était de collaborer avec la société suisse Solaronix pour améliorer le power conversion efficicency (PCE) des perovskite solar cells (PSC) à base de carbone entièrement imprimables. On a introduit différents degrés de porosité dans les échafaudages de TiO2 à base de nanoparticules, en utilisant des nanosphères de polymère comme structure sacrificielle, en variant la nature du polymère, le diamètre de la nanosphère et le rapport pondéral polymère/TiO2. Nous avons obtenu une couche optimale basée sur l'ajout de 5 % en poids de nanosphères de polystyrène de 300 nm, qui a montré de meilleurs paramètres photovoltaïques que la référence, et pour laquelle le PCE max a atteint 13,6 %.

The first objective of the present project was to obtain CO2-reducing molecular catalysts in pure and active form and to integrate these catalysts into nanostructured porous electrodes. In order to immobilize a [[Ni(cyclam)]2+ complex on the surface of an electrode, two new cyclam derivatives bearing a pyrene Substitution were synthesized. The complexes were found to be much more active in the immobilized form than under homogeneous conditions, with faradic efficiencies for CO production exceeding 90% and current densities up to 10 mA.cm-2 in an acetonitrile/water mixture. Furthermore, for one of the two new complexes, the hybrid electrodes maintained the selectivity for CO with the highest FY value (82%) obtained at -0.8 V vs. RHE (current density 6 mA cm-2) in water. The second objective of this thesis was to collaborate with the Swiss company Solaronix to improve the power conversion efficiency (PCE) of fully printable carbon-based perovskite solar cells (PSCs). Different degrees of porosity were introduced into the nanoparticle-based Ti02 scaffolds, using polymer nanospheres as sacrificial structure, by varying the nature of the polymer, the diameter of the nanosphere and the polymer/TiO2 weight ratio. We obtained an optimal layer based on the addition of 5 wt% of 300 nm polystyrene nanospheres, which showed better photovoltaic parameters than the reference. and for which the PCE max reached 13.6%.