Matériaux photo-anodiques à base d’oxydes de titane et de cobalt pour la production d’hydrogène et la dépollution de l’eau

Photo-anodic materials based on titanium and cobalt oxides for hydrogen production and water remediation

• Auteur / Autrice : Fanny Duquet
• Direction : Stéphanie Roualdes
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie et Physico-Chimie des Matériaux
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 21/10/2022
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-….)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Chimiques (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IEM - Institut Européen des Membranes
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : DM3 - Design des Matériaux Membranaires et systèmes Multifonctionnels
• Jury : Président / Présidente : Peter Hesemann
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphanie Roualdes, Valérie Keller, Cédric BOISSIèRE, Christina Villeneuve-faure, Matthieu Rivallin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Valérie Keller, Cédric BOISSIèRE

Mots clés

Mots clés libres

Oxydes de titane et de cobalt

Photo-anodes

Production d'hydrogène

Dépollution de l'eau

Voie solaire

Tensio-actifs bio-sourcés

Titanium and cobalt oxides

Photoanodes

Hydrogen production

Water remediation

Solar light

Bio-sourced surfactants

Résumé

Parmi les solutions pour diminuer la pollution atmosphérique et ainsi ralentir le réchauffement climatique actuel, l’utilisation de l’hydrogène « vert » comme vecteur énergétique est attrayante. Grâce à l’utilisation d’une cellule photo-électrochimique au croisement entre l’électrolyse de l’eau et la photocatalyse, l’hydrogène peut être produit sans émission de gaz à effet de serre. De plus, l’emploi d’une eau partiellement polluée comme ressource de cette cellule permettrait le couplage entre production d’hydrogène vert et traitement tertiaire de l’eau. Dans cette optique, un travail sur les composants de cette cellule, plus précisément sur les photo-anodes, est primordial pour rendre un tel système compétitif. Dans ce travail nous avons développé par voie sol-gel des matériaux photo-anodiques à base d’oxydes de titane et de cobalt, mis en forme à partir de différents tensioactifs bio-sourcés. Des techniques de caractérisations physico-chimiques et fonctionnelles variées ont permis de mettre en avant l’effet de l’oxyde de cobalt (sous forme de phase spinelle dans le bulk et d’hydroxyde Co(OH)2, plutôt que d’oxyde, en surface) sur les propriétés structurales, optiques et photo-électrocatalytiques des matériaux essentiellement composés de TiO2 sous formes anatase et rutile. En milieu aqueux standard ou pollué et sous irradiation xénon, les matériaux mixtes présentent de meilleures propriétés (photo-)électrocatalytiques et produisent plus d’hydrogène que les couches exemptes de cobalt, et cette amélioration liée à la présence du cobalt s’accentue avec l’augmentation de la teneur en cobalt. Ces résultats ouvrent la voie au couplage entre la production d’hydrogène et la dépollution de l’eau sous lumière solaire, avéré possible avec les matériaux développés dans ce travail de thèse.

Among the solutions for reducing atmospheric pollution and thus slowing down the current global warming, the use of "green" hydrogen as an energy carrier is attractive. Thanks to the use of a photoelectrochemical cell at the crossroads between water electrolysis and photocatalysis, hydrogen can be produced without greenhouse gas emissions. Moreover, the use of partially polluted water as a resource for this cell would allow the coupling between green hydrogen production and tertiary water treatment. In order to do this, work on the components of this cell, more precisely on the photo-anodes, is essential to make such a system competitive. In this work, we developed sol-gel photo-anodic materials based on titanium and cobalt oxides, formed from various bio-sourced surfactants. Different physico-chemical and functional characterization techniques were used to highlight the effect of cobalt oxide (as a spinel phase in the bulk and as a Co(OH)2 hydroxide, rather than as an oxide, on the surface) on the structural, optical and photoelectrocatalytic properties of the materials, which are essentially composed of TiO2 in the anatase and rutile forms. In standard or polluted aqueous medium and under xenon irradiation, the mixed materials show better (photo)electrocatalytic properties and produce more hydrogen than the cobalt-free layers, and this cobalt-related improvement increases with increasing cobalt content. These results pave the way for the coupling of hydrogen production and water purification under sunlight, which has been shown to be possible with the materials developed in this thesis.