Description du stage

  1. Présentation du sujet et résultats attendus

La réduction de la concentration en CO2 dans l´atmosphère est un objectif majeur en raison de sa forte contribution au réchauffement climatique. Parmi les principales technologies possibles pour transformer « durablement » le CO2, la conversion électrochimique en produits à forte valeur ajoutée (combustibles : CH4, CH3OH, C2H4, C3H6OH…) est particulièrement intéressante [1]. Ce procédé peut bénéficier de l’énergie solaire grâce à la conversion photovoltaïque pour être plus efficace. Dans ce cadre, le but du stage est de développer des photocathodes innovantes constituées d’un support photoactif en silicium et de nanoparticules (NPs) bi-métalliques de type AgCu, et d´optimiser leurs performances pour la réduction photoélectrochimique du CO2.  

Grace à leur structure de bandes, les semiconducteurs sont capables de convertir l’énergie solaire en énergie chimique à l’aide de réactions électrochimiques [2]. Avec son énergie de gap adaptée au rayonnement solaire (~1,2 eV), le silicium constitue un excellent matériau pour cela. Les nanoparticules bimétalliques ont un nombre important de sites catalytiques actifs.  Elles peuvent être déposées sur le silicium et lui donner des propriétés photocatalytiques. De plus, elles permettent de contrôler la sélectivité de la réaction en fonction du rapport des deux éléments [3]. AgCu présente des bonnes performances électrocatalytiques pour la conversion de CO2 dans des électrodes conventionnelles [4], mais son étude sur supports en Si reste limitée.

La première partie du stage sera consacrée à la synthèse d’électrodes composites Si/AgCu. Les NPs seront déposées soit par dépôt chimique en milieux HF, soit par d’autres voies (électrodéposition, pulvérisation cathodique). Des supports en silicium poli et microstructuré sous forme de micropiliers seront utilisés pour maximiser la surface de contact Si/AgCu/électrolyte (CO2). Les photocathodes fabriquées seront caractérisées par DRX, MEB-EDS et XPS. Une deuxième partie du projet sera consacrée à l’analyse et l’optimisation des réponses électrochimiques des photoélectrodes synthétisées (rendement quantique et conversion énergétique). La chromatographie de gaz couplée à l’électrolyse et à la RMN-H sera utilisée pour la détermination des sélectivités des produits formés et le calcul des rendements faradiques.

2. Techniques/méthodes utilisées

Synthèse de matériaux par chimie douce, microscopie électronique à balayage (MEB), diffraction des RX, électrochimie, chromatographie en phase gazeuse et liquide (CPG et CPL), spectroscopie photoélectronique X (XPS).

3. Références

[1] V. Kumaravel, J. Bartlett, S.C. Pillai, ACS Energy Lett. 5 (2020) 486.

[2] Photoelectrochemical Solar Fuel Production, Ed .S. Gimenez, J. Bisquert, Springer,2016.

[3] Torralba,  et al., Electrochim Acta 354(2020) 136739.

Durée

5 à 6 mois (début en février 2022)

Lieu

ICMPE (Thiais, Ile de France)

Rémunération

Environ 600€/mois

Personnes à contacter :

Encarnación Torralba-Peñalver (ICMPE)

Stéphane Bastide (ICMPE)