Conversion de l’énergie solaire en carburant H₂ par photoélectrolyse de l’eau sur des nanomatériaux hybrides à base de TiO₂/nanoparticules de CoO et NiO.

Favet, Thomas (2020). Conversion de l’énergie solaire en carburant H₂ par photoélectrolyse de l’eau sur des nanomatériaux hybrides à base de TiO₂/nanoparticules de CoO et NiO. Thèse. Québec, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 261 p.

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Résumé

L'hydrogène s'avère être un vecteur d'énergie stockable et non carboné particulièrement séduisant. Une approche prometteuse pour la production propre et durable d'H₂ est la photoélectrolyse de l'eau. Ce projet vise à modifier les propriétés du TiO₂ utilisé comme photoanode dans une cellule photoélectrochimique, pour améliorer la production d'H₂ sous lumière solaire. La nanostructuration du TiO₂ sous forme de nanotubes (NTs) est un bon moyen d'améliorer sa réactivité et la séparation spatiale des charges. Une étude basée sur une stratégie de co-alliage, consistant à introduire une grande quantité d'anions (N³⁻ ) et de cations (Nb⁵⁺,Ta⁵⁺) dopants, a permis de réduire l'énergie de la large bande interdite du TiO₂ et d'étendre son absorption au visible. Les paramètres de traitement thermique sous ammoniac permettant le dopage à l'azote ont été optimisés. Une étude paramétrique sur la décoration par ablation laser pulsé de NTs de TiO₂ avec des co-catalyseurs (cobalt, nickel) a été réalisée. En faisant varier l'atmosphère de dépôt, il est possible de contrôler la composition chimique des nanoparticules. Les conditions optimales de dépôt ont été identifiées, menant à une amélioration considérable de la production photoélectrochimique d'H₂ sous lumière solaire et visible. En combinant l'approche de co-alliage et de dépôt de co-catalyseur, la production d'H₂ sous lumière solaire est triplée. Des études plus spécifiques ont été réalisées afin de mieux comprendre les mécanismes mis en jeu.

Hydrogen is an attractive non-carbonaceous storable fuel. A promising approach for clean and sustainable hydrogen production is solar driven photoelectrochemical water-splitting. This project aims to modify the properties of TiO₂ used as a photoanode, in order to enhance the photoelectrochemical hydrogen production. Designing TiO₂ at the nanometric scale with nanotubes is an interesting way to enhance both its reactivity and spatial separation of photogenerated carriers. A co-alloying strategy was investigated. The large introduction of anions (N³⁻) and cations (Nb⁵⁺,Ta⁵⁺) in the lattice was found to be an efficient way to reduce the band gap energy of TiO₂, allowing absorption of photons in the visible range. The annealing parameters under ammonia, used for the nitrogen doping, have been optimized. A parametric study on the pulsed laser deposition of co-catalysts (cobalt, nickel) on TiO₂ nts was performed. The chemical composition of the co-catalysts can be controlled with the background atmosphere used during the deposition. Under the optimal conditions determined after this study, a significant improvement of photoelectrochemical hydrogen production under both solar and visible light was reached. Combining the co-alloying approach and the co-catalysts deposition leads to tripling the hydrogen production under solar light. In order to have a better understanding of the mechanisms involved, more specific studies have been performed.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	El Khakani, My Ali
Co-directeurs de mémoire/thèse:	Keller, Valérie
Mots-clés libres:	photoélectrochimie; nanomatériaux; catalyse; production d’hydrogène; ablation laser pulsée; photoelectrochemistry; nanomaterials; catalysis; hydrogen production; pulsed laser ablation
Centre:	Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt:	20 janv. 2021 19:36
Dernière modification:	29 sept. 2021 18:08
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/11166

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