Nouvelles photo-électrodes à base de matériaux plasmoniques hybrides pour la photo-électrolyse de l'eau

New photo-electrodes based on hybrid plasmonic materials for water photo-electrolysis

• Auteur / Autrice : Josian Laumonnier
• Direction : Alain Pailleret, Grégory Barbillon
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie Physique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2024
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interfaces et Systèmes Electrochimiques
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Matériaux et Interfaces : Fonctionnalité et Electrochimie (MATTERFEEL)

Mots clés

Mots clés libres

Photo-électrocatalyse

Matériaux plasmoniques hybrides

Oxydes et sulfures métalliques semi-conducteurs

Plasmonique

Nanoparticules plasmoniques

Production d'hydrogène vert

Photo-electrocatalysis

Green hydrogen production

Semi-conducting metal sulfides and oxydes

Plasmonic nanoparticules

Hybrid plasmonic materials

Plasmonics

Résumé

Parmi plusieurs procédés convaincants et attractifs permettant la valorisation de l'énergie solaire, la dissociation photo-électrochimique de l'eau a reçu un intérêt croissant de la part de la recherche académique au cours de la décennie passée. Elle repose sur un principe bien établi qui consiste à utiliser la lumière solaire pour promouvoir l'électrolyse de l'eau, et donc l'évolution de l'hydrogène et de l'oxygène, sur des photo-électrodes constituées de matériaux semi-conducteurs. Cependant, l'efficacité de conversion de la lumière et la stabilité de telles photo-électrodes restent encore insuffisantes de nos jours pour attirer les industriels et pour envahir notre vie de tous les jours. Il est apparu dans la littérature que l'association de matériaux semi-conducteurs avec des nanoparticules plasmoniques (NPPs) constitue une stratégie prometteuse pour améliorer substantiellement les performances et pour étendre les perspectives de ces photo-électrodes. Ces NPPs présentent en effet une aptitude à piéger et à concentrer la lumière du soleil dans des domaines nanométriques, ce qui donne naissance à différents mécanismes élémentaires, tels que la génération de porteurs chauds, un effet photo-thermique, ou les deux simultanément, qui tous conduisent à une situation de photo-électrocatalyse plasmonique. Cette thèse est justement destinée à développer une meilleure compréhension de cet effet bénéfique dans le cas de matériaux plasmoniques hybrides innovants dédiés à la photo-électrolyse de l'eau et composés de nanoparticules métalliques plasmoniques et de couches minces d'oxydes ou de sulfures de métaux de transition semi-conducteurs déposées à l'aide de méthodes électrochimiques ou de méthodes physiques en phase vapeur (PVD).

Among several convincing and attractive processes allowing the exploitation of solar energy, photoelectrochemical water splitting has received a growing interest from the academic research over the last decade. It relies on a well-established principle which consists in using solar light to promote water electrolysis, and therefore hydrogen and oxygen evolution, on photo-electrodes made of semi-conducting materials. Nevertheless, light conversion efficiency and stability of such photo-electrodes remains insufficient nowadays to attract industrials and to invade our everyday life. It appeared in literature that the association of semi-conducting materials with plasmonic nanoparticules (PNPs) is a promising strategy to improve substantially the performance and to expand the outlooks of such photo-electrodes. These PNPs have indeed the ability to harvest and concentrate solar light in nanometric domains, which gives birth to different elementary mechanisms such as hot-carrier generation, a photothermal effect, or both simultaneously, that all lead to a plasmonic photoelectrocatalysis situation. This Ph. D. thesis is precisely aimed at developing a better understanding of this beneficial effect in the case of innovative hybrid plasmonic materials dedicated to water photo-electrolysis and made of plasmonic metallic nanoparticules and semi-conducting metal oxide (or sulfide) thin films deposited with the help of electrochemical or Physical Vapor Deposition methods.