Développement et évaluation d'un procédé de photocatalyse pour la réduction et la valorisation du CO2

Development and evaluation of a photocatalysis process for CO2 reduction and valorization

• Auteur / Autrice : Soline Beitone
• Direction : David Riassetto
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : MAT - Matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 23/10/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble, Isère, France ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des matériaux et du génie physique (Grenoble, Isère, France ; 1985-....)

Mots clés

Mots clés libres

Photocatalyse

Réduction du CO2

Nanofils

Acv

Membrane

Photocatalysis

CO2 reduction

Nanowires

Lca

Membrane

Résumé

Ce projet de thèse porte sur le développement d'un photocatalyseur hétérogène à base de semi-conducteurs, reposant sur un schéma de transfert d'électrons de type Z. L'objectif principal est d'optimiser l'efficacité des réactions photocatalytiques en maximisant la séparation des porteurs de charge et en exploitant une gamme plus étendue du spectre solaire. À cette fin, des nanofils d'oxyde de cuivre (Cu₂O) ont été développés pour former une membrane autoportante. Afin d'améliorer l'absorption de la lumière et d'élargir la réponse spectrale, d'autres oxydes métalliques, notamment le dioxyde de titane (TiO₂) sous forme de nanoparticules, seront intégrés. Ces matériaux, présentant des bandes interdites complémentaires à celles du Cu₂O, permettront une meilleure synergie dans la conversion de l'énergie solaire. La morphologie spécifique des nanofils offre une grande surface active, favorable aux réactions photocatalytiques, tandis que la formation d'hétérojonctions facilitera le transfert rapide des porteurs de charge en limitant leur recombinaison. Sur le plan applicatif, ces membranes visent principalement la réduction du CO₂ en produits à forte valeur ajoutée, tels que le méthane ou l'hydrogène. En complément, elles pourront également être utilisées pour la dégradation de polluants organiques et la photoréduction de l'eau en hydrogène. Enfin, le projet intègre une dimension environnementale en évaluant le cycle de vie des photocatalyseurs, dans une optique de réduction de l'empreinte carbone. Des approches prospectives d'analyse du cycle de vie (ACV) seront mises en œuvre pour anticiper les impacts environnementaux et sociaux liés à une éventuelle industrialisation du procédé.

This PhD project focuses on the development of a heterogeneous photocatalyst based on semiconductors, using a Z-scheme electron transfer mechanism. The main objective is to enhance the efficiency of photocatalytic reactions by maximizing charge carrier separation and utilizing a broader portion of the solar spectrum. To achieve this, copper oxide (Cu₂O) nanowires have been developed to form a self-supporting membrane. In order to improve light absorption and broaden the spectral response, additional metal oxides—particularly titanium dioxide (TiO₂) in the form of nanoparticles—will be incorporated. These materials, with bandgaps complementary to that of Cu₂O, are expected to create a synergistic effect in solar energy conversion. The unique morphology of the nanowires provides a large active surface area conducive to photocatalytic reactions, while the formation of heterojunctions will facilitate rapid charge carrier transfer and limit recombination. In terms of application, these membranes are primarily intended for the reduction of CO₂ into high-value products such as methane or hydrogen. Additionally, they may also be used for the degradation of organic pollutants and the photoreduction of water to generate hydrogen. Finally, the project incorporates an environmental dimension by evaluating the life cycle of the photocatalysts with the goal of reducing their carbon footprint. Prospective life cycle assessment (LCA) approaches will be employed to anticipate the environmental and social impacts associated with the potential industrialization of the photocatalytic process.