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DRF : Sujet de thèse SL-DRF-20-0658

DOMAINE DE RECHERCHE
Physique du solide, surfaces et interfaces / Physique de l’état condensé, chimie et nanosciences
INTITULÉ DU SUJET Français English

Déterminer le rôle des états de surface et du transfert des charges dans la cinétique de la réaction d’oxydation (OER) à l’interface hématite/électrolyte dans un procès de photoélectrolyse de l’eau.

RÉSUMÉ DU SUJET

La production d’hydrogène par l’électrolyse de l’eau est une approche propre et viable, mais très gourmande en énergie électrique. Pour réduire l’apport en énergie électrique nous étudions la possibilité d’utiliser le rayonnement solaire qui, absorbé par des oxydes semi-conducteurs photosensibles identifiés et optimisés, génère des paires électrons-trous participant aux réactions d’oxydoréduction dans une cellule de photoélectrolyse1,2.

L'hématite est le matériau semi-conducteur prototypique utilisé comme photoanode. L’hématite est très abondante, pas chère ayant un faible impact environnemental, des atouts qui doivent être considérés avec une attention particulière de nos jours. Des progrès importants ont été réalisés pour améliorer les propriétés de l'hématite en vue d'une réaction de photoélectrolyse plus efficace2–5. Néanmoins, par rapport aux matériaux présentant des efficacités les plus élevés6, l’hématite apparaît moins efficace en raison du faible libre parcours moyen des trous2 ainsi qu’à une mauvaise cinétique à l'interface hématite / électrolyte lors de l’oxydation7,8. L'existence d'états de surface empêche un transfert direct de trous dans l'électrolyte lors de l’oxydation de l’eau9. Optimiser la cinétique de surface en contrôlant ces états de surface est donc la clé pour augmenter l'efficacité des photoanodes d’hématite10.

Nous proposons une étude visant à comprendre et à optimiser la cinétique de surface et la stabilité dans le temps des photoanodes à base d'hématite, à la fois à l'échelle macro et nanométrique et dans des conditions de travail réelles, c'est-à-dire pendant la réaction photoélectrochimique. Les nanofils d'hématite seront déposés par voie chimique en solution aqueuse (ACG11). Différents traitements de surface (abrasion ionique, gravure chimique, recuit, fonctionnalisation de surface, etc.) seront testés et analysés pour améliorer la cinétique de surface. Combinant des mesures de spectro-microscopie à rayons X (STXM) et de microscopie électronique (TEM12 et le ESEM13,14) en conditions réels dans une cellule électrochimique dédiée contenant les nanofils d’hématite comme électrode de travail, permettra de quantifier la composition chimique et la structure électronique à l'échelle nanométrique, pendant l’oxydation. Cette approche permettra de mettre en évidence et de quantifier les états de surface responsables de la faible cinétique OER de l’hématite. Les résultats microscopiques seront corrélés à l'activité photoélectrochimique des photoanodes mesurée sur un banc dédié à la mesure du photocourant, à la morphologie de la surface mesurée en AFM et en SEM et au potentiel de surface mesuré en KPFM. In fine, cette étude devrait fournir des solutions précises pour améliorer l'efficacité des photoanodes à base d’hématite pour la photoélectrolyse de l'eau.

1. Fujishima, A. & Honda, K. Nature 238, 37–38 (1972).

2. Krol, R. va de & Grätzel, M. (Springer, 2012).

3. Rioult, M., Magnan, H., Stanescu, D. & Barbier, A. J. Phys. Chem. C 118, (2014).

4. Rioult, M., Stanescu, D., Fonda, E., Barbier, A. & Magnan, H. J. Phys. Chem. C 120, 7482–7490 (2016).

5. Rioult, M., Belkhou, R., Magnan, H., Stanescu, D., Stanescu, S., Maccherozzi, F., Rountree, C. & Barbier, A. Surf. Sci. 641, 310–313 (2015).

6. Kalanoor, B. S., Seo, H. & Kalanur, S. S. Mater. Sci. Energy Technol. 1, 49–62 (2018).

7. Tamirat, A. G., Rick, J., Dubale, A. A., Su, W. N. & Hwang, B. J. Nanoscale Horizons vol. 1 243–267 (2016).

8. Glasscock, J. A., Barnes, P. R. F., Plumb, I. C. & Savvides, N. J. Phys. Chem. C 111, 16477–16488 (2007).

9. Iandolo, B., Wickman, B., Zoric, I. & Hellman, A. J. Mater. Chem. A 3, 16896–16912 (2015).

10. Zhang, J. & Eslava, S. Sustainable Energy and Fuels vol. 3 1351–1364 (2019).

11. Vayssieres, L. International Journal of Nanotechnology vol. 1 1–41 (2004).

12. Ortiz Peña, N., Ihiawakrim, D., Han, M., Lassalle-Kaiser, B., Carenco, S., Sanchez, C., Laberty-Robert, C., Portehault, D. & Ersen, O. ACS Nano 13, 11372–11381 (2019).

13. https://axlr.com/offres-technologies/celdi/.

14. http://www.newtec.fr/fr/celdi/.

INFORMATIONS PRATIQUES
Institut rayonnement et matière de Saclay
Service de Physique de l’Etat Condensé
Laboratoire Nano-Magnétisme et Oxydes
Centre : Saclay
Date souhaitée pour le début de la thèse : 01/10/2020
PERSONNE À CONTACTER PAR LE CANDIDAT

Dana STANESCU  

CEA
DRF/IRAMIS/SPEC/LNO
SPEC - CNRS UMR 3680 / LNO
L’Orme des Merisiers
bat. 771, pièce 116
91191 Gif sur Yvette Cedex
FRANCE

Téléphone : +33 1 69 08 75 48

DIRECTEUR DE THÈSE

Gheorghe Sorin Chiuzbaian

Université Sorbonne, Université Pierre et Marie Curie
Laboratoire de Chimie Physique Matière et Rayonnement
Sorbonne Universités, Université Pierre et Marie Curie
Laboratoire de Chimie Physique Matière et Rayonnement
4 place Jussieu, 75252 Paris Cedex 05