Soutenance de thèse de DELTENRE André
Titre de thèse
Production d'hydrogène vert sur photocathodes fonctionnalisées à base de silicium
Production of green hydrogen on functionalized silicon-based photocathodes
Résumé de la thèse
L'hydrogène vert produit à partir de sources d'énergie renouvelables et décarbonées apparaît comme un vecteur énergétique prometteur pour le stockage de l'énergie solaire. Actuellement, près de 95 % de la production mondiale d'hydrogène repose encore sur des procédés fossiles fortement émetteurs de gaz à effet de serre, tels que le vaporeformage du méthane et la gazéification du charbon. Dans ce contexte, la photoélectrocatalyse de l'eau constitue une voie de recherche à développer, permettant de convertir directement l'énergie solaire en énergie chimique sous forme de dihydrogène à la surface de matériaux semi-conducteurs immergés en milieu électrolytique et éclairés. (Contrairement aux systèmes photovoltaïque-électrolyseur conventionnels reposant sur deux dispositifs distincts.)
Cette thèse exploratoire porte sur l'élaboration et la caractérisation de photocathodes à base de silicium dédiées à la production photoélectrochimique d'hydrogène. Les structures étudiées reposent sur l'association d'un substrat en silicium, de couches compactes de TiO₂, ainsi que de couches mésoporeuses de TCO (Transparent Conductive Oxide), notamment de TiO₂ et d'ITO, revêtues d'un catalyseur à base de sulfure de molybdène (MoSx) déposé par photo-électrodéposition. L'un des aspects innovants de ces travaux réside dans l'étude d'interfaces mésoporeuses d'ITO recouvertes de MoSx pour des applications photoélectrochimiques, dans le but d'améliorer les propriétés de transfert de charge et l'accessibilité des sites catalytiques à l'interface électrode–électrolyte. Les différentes architectures ont été étudiées à l'aide de techniques de caractérisation physico-chimiques et électrochimiques afin d'analyser leur morphologie, leur composition chimique et leurs propriétés électroniques. Un banc expérimental dédié aux mesures photoélectrochimiques a également été développé afin d'évaluer les performances des photocathodes sous illumination et de quantifier la production de dihydrogène. Les résultats obtenus mettent en évidence l'intérêt des architectures mésoporeuses TiO₂/MoSx et ITO/MoSx pour l'amélioration des performances photoélectrochimiques des photocathodes à base de silicium. Ces travaux contribuent ainsi à l'exploration de nouvelles architectures photoactives reposant sur des matériaux abondants tels que le TiO₂, ainsi que sur des oxydes conducteurs transparents de référence comme l'ITO, associés à des procédés d'élaboration relativement simples dans leurs principes.
Thesis resume
Green hydrogen produced from renewable and low-carbon energy sources is emerging as a promising energy carrier for solar energy storage. Currently, nearly 95% of global hydrogen production still relies on fossil-based processes with high greenhouse gas emissions, such as methane steam reforming and coal gasification. In this context, photoelectrocatalytic water splitting represents a promising research field that enables the direct conversion of solar energy into chemical energy in the form of hydrogen at the surface of illuminated semiconductor materials immersed in an electrolytic medium, unlike conventional photovoltaic-electrolyzer systems based on two separate devices.
This exploratory thesis focuses on the fabrication and characterization of silicon-based photocathodes dedicated to photoelectrochemical hydrogen production. The investigated structures consist of a silicon substrate, compact TiO₂ layers, as well as mesoporous TCO (Transparent Conductive Oxide) layers, particularly TiO₂ and ITO, coated with a molybdenum sulfide (MoSx) catalyst deposited by photoelectrodeposition. One of the innovative aspects of this work lies in the study of mesoporous ITO/MoSx interfaces for photoelectrochemical applications, with the aim of improving charge transfer properties and the accessibility of catalytic sites at the electrode–electrolyte interface. The different architectures were investigated using physico-chemical and electrochemical characterization techniques in order to analyze their morphology, chemical composition, and electronic properties. An experimental setup dedicated to photoelectrochemical measurements was also developed to evaluate the photocathodes performances under illumination and to quantify hydrogen production. The obtained results highlight the interest of mesoporous TiO₂/MoSx and ITO/MoSx architectures for improving the photoelectrochemical performances of silicon-based photocathodes. This work therefore contributes to the exploration of new photoactive architectures based on abundant materials such as TiO₂, as well as reference transparent conductive oxides such as ITO, combined with relatively simple fabrication processes.