Nanostructures pérovskites ferroélectriques pour la photo(électro)catalyse

Perovskite ferroelectric nanostructures for photo(electro)catalysis

• Auteur / Autrice : Qian Xu
• Direction : Christophe Colbeau-Justin, Mohamed Nawfal Ghazzal
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 06/06/2024
• 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 : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Chimie (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Rachel Méallet-Renault
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christian Beauger, Valérie Keller, Nathalie Herlin-Boime, Sophie Cassaignon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christian Beauger, Valérie Keller

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photocatalyse

Photoélectrocatalyse

Piézoélectricité

Ferroélectricité

Mots clés libres

BaTiO₃

Polarisation ferroélectrique

Polarisation piézoélectrique

Séparation de charges

Photoélectrocatalyse

Photocatalyse

BaTiO₃

Ferroelectric polarization

Piezoelectric polarization

Charge separation

Photoelectrocatalysis

Photocatalysis

Résumé

La photo(électro)catalyse, pouvant directement récupérer l’énergie solaire et la convertir en énergie chimique, apparaît comme une réponse à l’épuisement des combustibles fossiles et aux préoccupations concernant les problèmes environnementaux. Dans ce cadre, une attention particulière a été consacrée à la promotion de la séparation des porteurs de charges et de la dynamique de leur transport afin d'améliorer la conversion de l'énergie solaire et atteindre les exigences des applications pratiques. La polarisation ferro/piézoélectrique, capable de déclencher une redistribution spatiale des porteurs de charges et de favoriser leur séparation en masse ou en surface, s'est avérée être une stratégie prometteuse pour la conception de systèmes photocatalytiques hautement efficaces. Dans ce projet de doctorat, BaTiO₃ (BTO) a été sélectionné comme semi-conducteur ferroélectrique typique, ses propriétés ferroélectriques et piézoélectriques étant utilisées pour améliorer le transfert directionnel des porteurs de charge et leur durée de vie, explorées respectivement par l'oxydation de l'eau PEC et la dégradation de la rhodamine B (RhB). Plus particulièrement, les principes et les applications de la photo(électro)catalyse assistée par piézo/ferroélectrique ont été discutés en profondeur. Nous avons ensuite développé des nanostructures cœur-coquille BTO/TiO₂, déposées avec des cocatalyseurs d'évolution d'oxygène Ni(OH)₂ (OEC), comme photoanodes pour l'oxydation photoélectrochimique de l'eau. La relation entre la polarisation ferroélectrique, la séparation des charges et le transport du TiO₂ a été étudiée par les phases cristallines du BTO et les champs électriques externes. De plus, le rôle de la polarisation piézoélectrique générée par BTO dans la dynamique du transport de charge au cours du processus photocatalytique a été exploré à travers la dégradation de la rhodamine B (RhB), et a ensuite été discutée en détail sur la base des résultats tirées des caractérisations expérimentales et des calculs théoriques.

Photo(electro)catalysis, which can directly harvest energy from solar illumination and convert it into chemical energy, has brought light to the depletion of fossil fuels and concerns about environmental issues. Significant attention has been dedicated to promoting charge separation and transport dynamics to enhance solar energy conversion to reach the requirements for practical applications. Ferroelectric and piezoelectric polarization that can trigger spatial charge redistribution and promote bulk or surface charge-carrier separation has been demonstrated as a promising strategy for designing highly efficient photocatalytic systems. In this PhD project, BaTiO₃ (BTO) has been selected as a typical ferroelectric semiconductor, with its ferroelectric and piezoelectric properties being employed to enhance directional charge carrier transfer and lifetime, explored through PEC water oxidation and Rhodamine B (RhB) degradation, respectively. More specifically, the principles and applications of piezo/ferroelectric-assisted photo(electro)catalysis were thoroughly discussed. We then developed core-shell BTO/TiO₂ nanostructures, deposited with Ni(OH)₂ oxygen evolution cocatalysts (OEC), as photoanodes for photoelectrochemical water oxidation. The relationship between ferroelectric polarization and charge separation and transport of TiO₂ was investigated by BTO crystalline phases and external electric fields. In addition, the role of piezoelectric polarization delivered by BTO in charge transport dynamics during the photocatalytic process was explored through the degradation of Rhodamine B (RhB), and was further discussed in detail based on the insights drawn from experimental characterizations and theoretical calculations.