Abstract
La production d'hydrogène à partir de la séparation photo-électro-catalytique de l'eau est une voie prometteuse pour la conversion de l'énergie solaire en combustible chimique. La présente étude vise à démontrer la faisabilité de la photo-production d'H2 avec un rendement compétitif et une photo-dégradation simultanée de micro-polluants organiques. Pour ceci, nous mettons en œuvre une cellule photo-électrochimique (PEC) utilisant la lumière du soleil et des eaux usées synthétiques (contenant de la matière organique colloïdale/dissoute, des sels et des micropolluants organiques) comme seules ressources.Parmi les diverses couches semi-conductrices utilisées comme photo-anodes de PEC, celles à base de dioxyde de titane -TiO2- de morphologie colonnaire dendritique possèdent suffisamment de sites réactifs sur leur surface et sont suffisamment propices aux transferts de charge et de masse pour une activité photo-catalytique (Miquelot, A., et al. 2019). La présence à la surface de TiO2 d’un polymère conducteur de type poly (3,4-éthylènedioxythiophène) -PEDOT- est susceptible d’améliorer le transfert d'électrons et le comportement photo-catalytique de la couche de TiO2 en augmentant la conductivité électrique et la création de photo excitons (e-/h+) (Abdelnasser, S., et al. 2019). Dans ce contexte, les caractéristiques morphologiques et structurales de couches minces de TiO2 et de PEDOT respectivement obtenus par dépôt chimique en phase vapeur organométallique (MOCVD) et dépôt chimique en phase vapeur oxydant (oCVD) ont été étudiées et corrélées à leurs propriétés photo-électro-catalytiques. Des couches de TiO2 de phase anatase pure, de structure dendritique et d'épaisseur entre 235 à 1600 nm ont été obtenues à partir d’isopropoxyde de titane (TTIP) à 1 Torr et 500°C en faisant varier la durée du dépôt de 15 à 85 min. L'augmentation de l'épaisseur des films entraîne une évolution de leurs morphologies de structures denses et angulaires à des colonnes arborescentes isolées et nanostructurées avec une diminution concomitante de la résistance de transfert de charge (Rct) de 21,3 à 19,2 kΩ.cm2. Des couches minces de PEDOT d’épaisseur 50 nm ont été déposées à partir de PEDOT et de SbCl5 à 0,3 Torr et 140°C sur la surface de TiO2. Les mesures électrochimiques révèlent une diminution du rayon de courbure du diagramme de Nyquist par rapport à celui du TiO2 pur, témoignant de meilleures séparation et mobilité des porteurs de charge entre la photo-anode et la solution électrolytique (Na2SO4). La valeur de capacité de double couche (Cdl) des échantillons PEDOT/TiO2 est supérieure à celle de TiO2. La bi-couche PEDOT/TiO2 avec une épaisseur de TiO2 de 1600 nm présente une réponse rapide en photo-courant sous cycles successifs, hautement reproductibles, d’allumage et d’extinction. Dans ces conditions optimales, le niveau de photo-courant total mesuré (0,25 mA/cm2 à 1,9 V/RHE) est conforme à la littérature (0,17 mA/cm2 pour Fe2O3/{101}TiO2 (Yang, LA., et al. 2022)) et environ 1,8 fois supérieur à celui du film de TiO2 nu de même épaisseur. Ce comportement indique une amélioration significative en nombre d’électrons et des trous photo-générés inhérente à la présence de la couche de PEDOT. ConclusionDans ce travail, nous avons développé des assemblages photo-électro-catalytiques innovants fondés sur des bi-couches de PEDOT/TiO2 élaborées par oCVD et MOCVD. Les procédés CVD utilisés permettent un excellent contrôle de l’épaisseur, de la composition chimique, de l’uniformité et de la microstructure des couches minces déposées et sont extrapolables à grande échelle. De telles photo-anodes sont ainsi susceptibles d’assurer stabilité et compacité de la cellule photo-électrochimique. Dans l’état actuel d’avancement de nos travaux, une activité de photo-courant stable et élevée jusqu’à 250 µA/cm2 sous lumière visible a été obtenue. Ces travaux se poursuivent dans l’optique d’optimiser les conditions de préparation des photo-anodes PEDOT/TiO2, de mesurer la production d’H2 réelle en électrolyte standard (Na2SO4) puis dans des eaux usées synthétiques, en vue du couplage avec la remédiation des eaux. Références bibliographiquesAbdelnasser, S., et al. "Enhanced photocatalytic performance of poly (3, 4-ethylenedioxythiophene)-coated TiO2 nanotube electrodes." Synthetic Metals 251 (2019): 120-126.Miquelot, A., et al. "TiO2 nanotree films for the production of green H2 by solar water splitting: From microstructural and optical characteristics to the photocatalytic properties." Applied Surface Science 494 (2019): 1127-1137.Yang, L., et al. " Novel Fe2O3/{101}TiO2 nanosheet array films with stable hydrophobicity and enhanced photoelectrochemical performance." Materials Chemistry and Physics 275 (2022): 125226.