Controllable synthesis and development of one-dimensional oriented CdS-based nanoarray photoanodes for efficient photoelectrochemical hydrogen evolution

La surconsommation de combustibles fossiles a entraîné une crise énergétique mondiale sévère et une pollution environnementale accrue. Face à cette situation, la recherche de sources d'énergie alternatives et propres est devenue une priorité pour les scientifiques. Parmi les options envisagées sera l'hydrogène (H2) qui se distingue en tant que source d'énergie potentielle, grâce à son haut rendement énergétique et ses caractéristiques écologiques. La division à l’aide de cellule photoélectrochimique (PEC) de l'eau utilisant des matériaux photoactifs a émergé comme une méthode prometteuse pour transformer l'énergie solaire illimitée en hydrogène, de manière économique et durable. Cependant, le développement de dispositifs PEC performants, avec une haute efficacité de conversion de la lumière, nécessite la création de photoanodes semi-conductrices optimisées pour une meilleure absorption lumineuse, une excellente stabilité photochimique, une séparation efficace des porteurs de charge, et une forte réactivité redox. Le sulfure de cadmium (CdS), en particulier sous forme de nanotiges unidimensionnelles (1D), a été identifié comme un candidat exceptionnel pour la production d'hydrogène solaire. Ses atouts incluent une structure de bande énergétique adéquate, d'excellentes propriétés électriques et optiques et un chemin de transfert de charge limité minimisant la perte de porteurs. Toutefois, la rapide recombinaison des paires électron-trou photoexcitées et la photocorrosion sont des obstacles majeurs à son application pratique. Dans cette thèse, j'ai exploré la conception de nanojonctions 1D basées sur le CdS, y compris les hétérostructures de type Ⅰ, le modèle Z, et les hétérostructures améliorées par effet plasmon, pour pallier ces faiblesses et améliorer la gestion des photons et l'efficacité quantique. Cette approche a permis d'obtenir des performances PEC nettement supérieures. J'ai également étudié en détail le mécanisme qui sera possible pour l’amélioration du PEC et les voies de transfert de charge interfaciales. La création d’hétérojonctions est une approche prometteuse qui peut améliorer significativement la séparation des porteurs de charge et l'efficacité de conversion de l'énergie solaire en hydrogène dans les cellules PEC. Cependant, cette technologie fait face à des défis liés aux interfaces de contact limitées. Dans ma première étude, j'ai utilisé la technique de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) pour élaborer une photoanode hétérojonction CdS/MoS2 dotée d'une nanoarchitecture inédite de type noyau-coquille. Cette structure consiste en une couche de nanofeuilles de MoS2, cultivées directement sur des nanotiges de CdS orientées unidimensionnellement, formant ainsi un agencement plan par plan. L'épaisseur de la jonction a été optimisée en ajustant les paramètres expérimentaux, permettant de varier la charge de MoS2 de mono à plusieurs couches. La coque MoS2 améliore à la fois l'absorption optique et la passivation des états de piège à la surface. L’hétérojonction favorise une migration de charge unidirectionnelle, réduisant considérablement la recombinaison électron-trou, et contribuant ainsi à une efficacité quantique et un rendement accrus. La photoanode CdS/MoS2 optimisée avec un revêtement MoS2 de trois couches affiche une densité de photocourant et une efficacité de photoconversion significativement supérieures, surpassant le CdS pur et les hétérojonctions CdS/MoS2 précédentes. Cette structure présente également une meilleure résistance à la corrosion et une photostabilité accrue, grâce à l’extraction rapide des trous du CdS et au transfert des sites d’oxydation de surface. Dans le second volet du travail, j'ai conçu une hétérostructure de type Z, CdS/Au/SnO2-S, composée de nanotiges de CdS orientées unidimensionnellement et modifiées avec des nanoparticules d'or (NP) enveloppées d’une couche de SnO2. Cette configuration, utilisée comme photoanode, vise à optimiser l'évolution de l'hydrogène en PEC. Les NP d’or facilitent la croissance de la couche de SnO2 et agissent comme médiateurs électroniques, améliorant le transfert de charge de SnO2 vers CdS. Ce mécanisme de transport de charge, basé sur le schéma Z, réduit la recombinaison des charges, augmente la densité des porteurs et préserve la capacité redox. Il en résulte une densité de photocourant et une efficacité de conversion photovoltaïque améliorées, avec une meilleure résistance à la corrosion. De plus, les systèmes PEC améliorés par les plasmons, grâce à la décoration de nanoparticules de métaux nobles (NP) sur la surface des semi-conducteurs pour former la barrière Schottky, présentent également des supériorités étonnantes en matière de conversion de l'énergie solaire. Par conséquent, dans un troisième volet ce cette thèse, j’ai développé un réseau de nanotiges avec une structure hiérarchique plasmoniques, composé de nanotiges 1D CdS encapsulées avec une couche uniforme de carbone de type graphite (CPDA) et des nanoparticules d'Au (Au NP), en tant que matériau de photoanode hautement efficace. Une méthode de réduction-graphitisation interfaciale in situ a été réalisée pour préparer la nanoarchitecture CdS/CPDA/Au, où un revêtement de polydopamine (PDA) a été utilisé comme source de C et comme réducteur. La photoanode nanoréseau (nanoarray) CdS/CPDA/Au démontre une efficacité de photoconversion supérieure avec une densité de photocourant de 8,74 mA/cm2 et une valeur IPCE (480 nm) de 30,2 % (à 1,23 V par rapport à RHE), sous irradiation solaire simulée, qui est de 12,7 et 13,5 fois supérieur au CdS vierge. L'amélioration significative des performances du PEC bénéficie principalement de l'augmentation du rendement et de l'efficacité quantiques globaux dues à la formation du redresseur Schottky, de l'absorption de la lumière améliorée par résonance plasmonique de surface localisée (LSPR) et de l'injection favorisée d'électrons chauds à partir de l’intercouche de carbone de type graphène. Plus important encore, grâce au processus de recombinaison des porteurs de charge inhibés et aux sites de réaction d'oxydation transférés, la photoélectrode CdS/CPDA/Au fabriquée affiche des durées de vie des électrons allongées et une meilleure photostabilité. Cette performance souligne son excellent potentiel pour des applications futures dans le domaine de l’électrolyse de l'eau par photoélectrochimie (PEC). \n_____________________________________________________________________________ \nMOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Photoélectrochimique, évolution de l'hydrogène, photoanode, sulfure de cadmium, fabrication d'hétérojonctions, schéma Z, photoélectrocatalyse améliorée par plasmon, nanoarchitecture hiérarchique 1D, revêtement de carbone, type graphène, séparation de charges.

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