Photocatalyseurs pour la production d'hydrogène et le traitement de l'eau

Le développement durable est essentiel pour relever les défis énergétiques et environnementaux. La photocatalyse constitue une alternative viable pour convertir et stocker l'énergie solaire sous forme de carburants tels que l'hydrogène (H₂), tout en contribuant à la réduction des émissions de dioxyde de carbone (CO₂) et à la dégradation des polluants dans l'air et l'eau. La conception de photocatalyseurs efficaces, rentables et stables est essentielle pour faire progresser les technologies de conversion de l'énergie solaire. Le dioxyde de titane (TiO₂) est le photocatalyseur le plus couramment utilisé, connu pour sa faible toxicité, son faible coût, sa bonne activité photocatalytique et sa stabilité chimique et biologique. Cependant, son utilisation est limitée par la recombinaison rapide et à taux élevé de la paire électron-trou (excitons) et par le fait qu'il ne peut être excité que sous irradiation UV en raison de son large gap énergétique (3,0-3,2 eV). Cette thèse de doctorat se concentre sur le développement de photocatalyseurs modifiés en surface avec des nanoparticules métalliques (NPs), qui présentent une synergie entre leurs propriétés optiques et électroniques, améliorant ainsi le processus photocatalytique. Des phénomènes tels que la résonance plasmonique de surface localisée (LSPR) dans certains métaux de transition (Au, Pd, Ag) et la formation de la barrière de Schottky permettent une plus grande absorption de la radiation dans le spectre visible et réduisent la recombinaison des excitons, augmentant ainsi l'activité photocatalytique. Dans ce projet, la surface du TiO₂ a été modifiée avec des NPs plasmoniques mono- et bimétalliques, ainsi que des NPs d'oxyde métallique (Au, Pd, AuPd, NiFe, NiO), synthétisées par des méthodes chimiques et de radiolyse. Ces NPs sont appliquées à la génération d'hydrogène vert par photocatalyse. Nous avons également démontré que la forme des NPs est cruciale lors de l'utilisation de NPs anisotropiques en forme de nanostar d'or (AuNSs) dans le traitement des eaux contaminées, réduisant efficacement le composé toxique 4-nitrothiophénol (4-NTP) en 4-aminothiophénol (4-ATP) sous irradiation de lumière visible. Cette recherche doctorale contribue à la compréhension des propriétés photocatalytiques et plasmoniques, mettant en lumière le potentiel des matériaux nanostructurés pour améliorer la performance et la stabilité catalytiques dans des applications énergétiques et environnementales durables.