Photocatalyseurs photoniques bio-inspirés pour la production d'hydrogène

Bio-inspired photonic photocatalysts for hydrogen production

• Auteur / Autrice : Cong Wang
• Direction : Hynd Remita, Mohamed Nawfal Ghazzal
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 08/07/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de chimie physique (Orsay, Essonne ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Chimie (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Rachel Méallet-Renault
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Emmanuel Maisonhaute, Valérie Keller, Sophie Cassaignon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Emmanuel Maisonhaute, Valérie Keller

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanocristaux de cellulose

Génération d'hydrogène

Photocatalyse

Mots clés libres

Photocatalyse

Production d'hydrogène

Cocatalyseurs bimétalliques Ni-Pt

Nanocristaux de cellulose

Photocatalyseurs nématiques chiraux

Photocatalysis

Hydrogen production

Bimetallic Ni-Pt cocatalysts

Cellulose nanocrystals

Chiral nematic photocatalysts

Résumé

Le développement durable est une voie nécessaire pour notre société moderne, et les deux défis de classe mondiale auxquels il est confronté sont les enjeux énergétiques et environnementaux. La photocatalyse est une stratégie prometteuse pour convertir et stocker l'énergie solaire en carburant solaire (hydrogène) et peut également être utilisée pour réduire les émissions de dioxyde de carbone ou dégrader les polluants dans l'air ou dans l'eau. La conception de photocatalyseurs hautement efficaces, peu coûteux et stables est un sujet important dans la technologie de conversion de l'énergie solaire. Pour relever ces défis, ce projet de doctorat s’est concentré sur l'optimisation de cocatalyseurs à base Pt pour la génération photocatalytique d'hydrogène, ainsi que sur le développement de nouveaux photocatalyseurs photoniques inspirés de la nature. Tout d'abord, nous résumons les propriétés de base, les avantages/inconvénients, les défis et les stratégies courantes pour améliorer les performances photocatalytiques du photocatalyseur le plus utilisé, le dioxide de titane (TiO₂). Deuxièmement, nous avons synthétisé des photocatalyseurs TiO₂ co-modifiés par des clusters de Ni et Pt pour réduire l'utilisation du platine. Troisièmement, inspirés par les feuilles, nous avons utilisé des nanocristaux de cellulose comme modèles bio-inspirés pour synthétiser de nouveaux photocatalyseurs à base de TiO₂ lamellaire mésoporeux, TiO₂/CuₓO nématique chiral et TiO₂₋ₓ/CuₓO/Pt. Enfin, nous avons étudié la dynamique du processus d'auto-organisation des nanocristaux de cellulose dans des microgouttelettes de sol de titane confinées.

Sustainable development has become a necessary path for our modern society, and the two world-class challenges it faces are energy and environmental issues. Photocatalysis is a promising strategy to convert and store solar energy into solar fuels (hydrogen), and also can be used to reduce carbon dioxide emissions or degrade pollutants in the air or in water. Designing highly efficient, inexpensive and stable photocatalysts is an important topic in solar energy conversion technology. To meet these challenges, this PhD project will focus on optimizing Pt-based cocatalysts for photocatalytic hydrogen generation, and also developing novel photonic photocatalysts inspired by Nature. Firstly, we summarize the basic properties, advantages/disadvantages, challenges, and common strategies for improving the photocatalytic performance, of the most used photocatalyst, TiO₂. Secondly, we co-modified TiO₂ photocatalysts with ultrasmall Ni-Pt nanoparticles to reduce the usage of Pt. Thirdly, inspired by leaves, we used cellulose nanocrystals as biotemplates to synthesize novel mesoporous lamellar TiO₂, chiral nematic TiO₂/CuₓO and TiO₂₋ₓ/CuₓO/Pt photocatalysts. Finally, we studied the dynamics of self-organization process of cellulose nanocrystals in confined titania-sol microdroplet.