Photocatalyseurs pour la production d'hydrogène et le traitement de l'eau

Photocatalysts for Hydrogen Generation and Wastewater Treatment

• Auteur / Autrice : Ana Andrea Méndez Medrano
• Direction : Hynd Remita, Jose Luis Rodriguez lopez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 05/12/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay en cotutelle avec Instituto Potosino de Investigación Científica y Tecnológica (San Luis Potosí, México)
• 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-....) - División de Materiales Avanzados (San Luis Potosí, México)
• 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 : María Alejandra Carreón Álvarez
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Souhir Boujday, Rodolfo Zanella Specia, Ally Aukauloo, Gladis Judith Labrada Delgado
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Souhir Boujday, Rodolfo Zanella Specia

Mots clés

Mots clés contrôlés

Résonance plasmonique de surface

Photocatalyse

Nanoparticules

Eaux usées -- Épuration

Carburants solaires

Génération d'hydrogène

Mots clés libres

Génération d'hydrogène

Carburants solaires

Traitement de l'eau

Nanoparticules métalliques

Photocatalyse

Cocatalyseurs

Résonance plasmonique de surface localisée

Hydrogen generation

Solar fuels

Water treatment

Metal-based nanoparticles

Photocatalysis

Cocatalysts

Localized surface plasmon resonance

Résumé

Le développement durable est essentiel pour relever les défis énergétiques et environnementaux. La photocatalyse constitue une alternative viable pour convertir et stocker l'énergie solaire sous forme de carburants tels que l'hydrogène (H₂), tout en contribuant à la réduction des émissions de dioxyde de carbone (CO₂) et à la dégradation des polluants dans l'air et l'eau. La conception de photocatalyseurs efficaces, rentables et stables est essentielle pour faire progresser les technologies de conversion de l'énergie solaire. Le dioxyde de titane (TiO₂) est le photocatalyseur le plus couramment utilisé, connu pour sa faible toxicité, son faible coût, sa bonne activité photocatalytique et sa stabilité chimique et biologique. Cependant, son utilisation est limitée par la recombinaison rapide et à taux élevé de la paire électron-trou (excitons) et par le fait qu'il ne peut être excité que sous irradiation UV en raison de son large gap énergétique (3,0-3,2 eV). Cette thèse de doctorat se concentre sur le développement de photocatalyseurs modifiés en surface avec des nanoparticules métalliques (NPs), qui présentent une synergie entre leurs propriétés optiques et électroniques, améliorant ainsi le processus photocatalytique. Des phénomènes tels que la résonance plasmonique de surface localisée (LSPR) dans certains métaux de transition (Au, Pd, Ag) et la formation de la barrière de Schottky permettent une plus grande absorption de la radiation dans le spectre visible et réduisent la recombinaison des excitons, augmentant ainsi l'activité photocatalytique. Dans ce projet, la surface du TiO₂ a été modifiée avec des NPs plasmoniques mono- et bimétalliques, ainsi que des NPs d'oxyde métallique (Au, Pd, AuPd, NiFe, NiO), synthétisées par des méthodes chimiques et de radiolyse. Ces NPs sont appliquées à la génération d'hydrogène vert par photocatalyse. Nous avons également démontré que la forme des NPs est cruciale lors de l'utilisation de NPs anisotropiques en forme de nanostar d'or (AuNSs) dans le traitement des eaux contaminées, réduisant efficacement le composé toxique 4-nitrothiophénol (4-NTP) en 4-aminothiophénol (4-ATP) sous irradiation de lumière visible. Cette recherche doctorale contribue à la compréhension des propriétés photocatalytiques et plasmoniques, mettant en lumière le potentiel des matériaux nanostructurés pour améliorer la performance et la stabilité catalytiques dans des applications énergétiques et environnementales durables.

Sustainable development is key to addressing energy and environmental challenges. Photocatalysis presents a viable alternative for converting and storing solar energy into fuels such as hydrogen (H₂), while also contributing to the reduction of carbon dioxide (CO₂) emissions and the degradation of pollutants in air and water. The design of efficient, cost-effective, and stable photocatalysts is essential for advancing solar energy conversion technologies. Titanium dioxide (TiO₂) is the most commonly used photocatalyst, known for its low toxicity, low cost, good photocatalytic activity, and chemical and biological stability. However, its use is limited by the rapid and high rate recombination of the electron-hole pair (exciton) and the fact that it can only be excited under UV irradiation due to its large band gap (3.0-3.2 eV). This doctoral thesis focuses on the development of surface-modified photocatalysts with metallic nanoparticles (NPs), which exhibit a synergy between their optical and electronic properties, enhancing the photocatalytic process. Phenomena such as localized surface plas- mon resonance (LSPR) in certain transition metals (Au, Pd, Ag) and the formation of the Schottky barrier allow for greater absorption of radiation in the visible spectrum and reduce exciton recombination, thereby increasing photocatalytic activity. In this project, the surface of TiO₂ has been modified with plasmonic mono- and bimetallic NPs, as well as metal oxide NPs (Au, Pd, AuPd, NiFe, NiO), synthesized through chemical and radiolysis methods. These NPs are applied for green hydrogen generation via photocatalysis. We also demonstrated that NPs shape is crucial when using anisotropic gold nanostar-shaped NPs (AuNSs) in contaminated water treatment, effectively reducing the toxic compound 4-nitrothiophenol (4-NTP) to 4-aminothiophenol (4-ATP) under visible light irradiation. This doctoral research contributes to the understanding of photocatalytic and plasmonic properties, highlighting the potential of nanostructured materials to improve catalytic performance and stability for sustainable energy and environmental applications.