Thématiques de l’Axe 1
De nombreux travaux rapportés dans la littérature reposent sur l’utilisation de semi-conducteurs (SC) inorganiques (TiO2,Fe2O3, …) comme matériau photo-catalytique 1ou comme photo-anode ou photo-cathode (dans les systèmes photo-électrochimiques).2 Même si le principe de ces approches est démontré depuis les années 70, aucun système ne combine actuellement efficacité et stabilité des performances. Une des principales difficultés est de trouver un matériau répondant à tous les critères requis pour un procédé de photo-conversion efficace : (i) une bonne absorption de la lumière et une génération efficace de paires e–/h+ ; (ii) une bonne activité catalytique ; (iii) une faible recombinaison des charges, (iv) la minimisation des pertes énergétiques à l’interface et (v) la stabilité du semi-conducteur vis-à-vis de la (photo-)corrosion dans le milieu aqueux. A titre d’exemple, le TiO2, qui est un des semi-conducteurs les plus étudiés pour les applications de photo-conversion, présente l’avantage d’être stable chimiquement en milieu aqueux. Néanmoins ses rendements de photo-conversion restent limités principalement à cause de sa large bande interdite (3.1 eV) nécessitant une activation lumineuse dans le domaine UV (λ<390-400 nm), qui représente moins de 5% du spectre solaire. Les récentes avancées en science des matériaux (nanomatériaux, structures hiérarchisées, plasmonique, …) ouvrent de nouvelles possibilités pour une amélioration des procédés de photo-conversion de façon à surmonter ces limitations.
Actuellement, le principal challenge consiste en l’élaboration de nanomatériaux semi-conducteurs permettant d’absorber les longueurs d’onde du domaine du visible, de transférer efficacement les charges photo-générées à l’interface, tout en conservant une bonne stabilité de leurs performances dans le domaine de l’activation UV. Pour ce faire, différentes stratégies sont étudiées, notamment :
- la synthèse de semi-conducteurs à bande interdite plus faible, 3
- le dopage (cationique, anionique, co-dopage) de semi-conducteurs à grande bande interdite, 4
- le dépôt de couche protectrice nanométrique pour limiter la (photo-)corrosion de matériaux à faible gap,
- le couplage entre différents semi-conducteurs, dont l’un possède une bande interdite faible (photo-sensibilisation dans le visible et formations d’hétérojonctions) pour une meilleure utilisation du spectre solaire,
- le dépôt de nanoparticules métalliques induisant des effets plasmoniques de surface,5
- les différentes morphologies (1D, 2D, 3D) et assemblages de semi-conducteurs,
- les améliorations de surface spécifique et de la porosité des films associés,
- les combinaisons de ces différentes approches
De tels matériaux semi-conducteurs peuvent être synthétisés chimiquement par voies sol-gel, solvo-thermale, hydrothermale, par précipitation chimique, par anodisation électrochimique, par radiolyse gamma, voire par des méthodes physiques (sputtering, ALCVD, …) ou chimiques en phase vapeur. L’association avec un co-catalyseur (ou une fonction catalytique) métallique peut également être considérée comme un point crucial pour l’obtention de structures hiérarchisées dans lesquelles les différentes fonctions de la photo-conversion, seront assurées par différents matériaux.
Le programme de recherche de cet axe pour les quatre années à venir sera de fédérer et de coordonner les compétences et expertises complémentaires des différentes équipes partenaires dans le domaine de l’élaboration, de la caractérisation et de l’évaluation des performances photo-catalytiques et photo-électrochimiques des matériaux. Nous nous attacherons tout particulièrement à étudier et approfondir les différentes stratégies listées précédemment avec comme objectif majeur l’amélioration de l’efficacité et de la stabilité des nanomatériaux semi-conducteurs. Nous nous appuierons sur les compétences spécifiques et très complémentaires des différentes équipes de cet axe et plus globalement du GDR en termes de synthèse et de caractérisations de ces matériaux. Deux types d’applications seront principalement visées, la production d’H2 par photo-dissociation de l’eau ou par photo-reformage du méthanol et la photo-réduction du CO2 pour la production de carburants ou autres produits valorisables.