Photoanodic materials based on titanium and cobalt oxides for the production of hydrogen and water treatment
Matériaux photo-anodiques à base d’oxydes de titane et de cobalt pour la production d’hydrogène et la dépollution de l’eau
Résumé
Among the solutions for reducing atmospheric pollution and thus slowing down the current global warming, the use of "green" hydrogen as an energy carrier is attractive. Thanks to the use of a photoelectrochemical cell at the crossroads between water electrolysis and photocatalysis, hydrogen can be produced without greenhouse gas emissions. Moreover, the use of partially polluted water as a resource for this cell would allow the coupling between green hydrogen production and tertiary water treatment. In order to do this, work on the components of this cell, more precisely on the photo-anodes, is essential to make such a system competitive.
In this work, we developed sol-gel photo-anodic materials based on titanium and cobalt oxides, formed from various bio-sourced surfactants. Different physico-chemical and functional characterization techniques were used to highlight the effect of cobalt oxide (as a spinel phase in the bulk and as a Co(OH)2 hydroxide, rather than as an oxide, on the surface) on the structural, optical and photoelectrocatalytic properties of the materials, which are essentially composed of TiO2 in the anatase and rutile forms. In standard or polluted aqueous medium and under xenon irradiation, the mixed materials show better (photo)electrocatalytic properties and produce more hydrogen than the cobalt-free layers, and this cobalt-related improvement increases with increasing cobalt content. These results pave the way for the coupling of hydrogen production and water purification under sunlight, which has been shown to be possible with the materials developed in this thesis.
Parmi les solutions pour diminuer la pollution atmosphérique et ainsi ralentir le réchauffement climatique actuel, l’utilisation de l’hydrogène « vert » comme vecteur énergétique est attrayante. Grâce à l’utilisation d’une cellule photo-électrochimique au croisement entre l’électrolyse de l’eau et la photocatalyse, l’hydrogène peut être produit sans émission de gaz à effet de serre. De plus, l’emploi d’une eau partiellement polluée comme ressource de cette cellule permettrait le couplage entre production d’hydrogène vert et traitement tertiaire de l’eau. Dans cette optique, un travail sur les composants de cette cellule, plus précisément sur les photo-anodes, est primordial pour rendre un tel système compétitif.
Dans ce travail nous avons développé par voie sol-gel des matériaux photo-anodiques à base d’oxydes de titane et de cobalt, mis en forme à partir de différents tensioactifs bio-sourcés. Des techniques de caractérisations physico-chimiques et fonctionnelles variées ont permis de mettre en avant l’effet de l’oxyde de cobalt (sous forme de phase spinelle dans le volume et d’hydroxyde Co(OH)2, plutôt que d’oxyde, en surface) sur les propriétés structurales, optiques et photo-électrocatalytiques des matériaux essentiellement composés de TiO2 sous formes anatase et rutile. En milieu aqueux standard ou pollué et sous irradiation xénon, les matériaux mixtes présentent de meilleures propriétés
(photo-)électrocatalytiques et produisent plus d’hydrogène que les couches exemptes de cobalt, et cette amélioration liée à la présence du cobalt s’accentue avec l’augmentation de la teneur en cobalt. Ces résultats ouvrent la voie au couplage entre la production d’hydrogène et la dépollution de l’eau sous lumière solaire, avéré possible avec les matériaux développés dans ce travail de thèse.
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Manuscrit de thèse_FannyDuquet 2019-2022_200123.pdf (9.79 Mo)
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