Carbon dots, Cdots, Chimie, Matériaux, Nanoparticules, Energie, Photocatalyse

De nombreux systèmes photocatalytiques composés d'oxydes métalliques (semi-conducteurs) sont utilisés pour la production d'hydrogène considéré, pour les années à venir, comme une alternative efficace aux combustibles fossiles. Ces oxydes métalliques sont particulièrement connus pour leur activité photocatalytique et photo-électrocatalytique. Ils souffrent néanmoins de sérieux inconvénients comme une faible photo-activité dans le domaine visible, une faible conductivité et un taux élevé de recombinaisons des paires électron-trou. Afin de pallier ce problème, plusieurs travaux ont déjà démontré la possibilité de coupler des semi-conducteurs à des nanoparticules métalliques ou à des « quantum dots » (QDs). Cependant ces nanoparticules sont généralement coûteuses, toxiques et non respectueuses de l'environnement. Dans le contexte de cette étude, nous avons donc décidé de travailler avec une nouvelle famille de nanoparticules de carbone, aux propriétés optiques très intéressantes, nommées « carbon dots » (Cdots). Ces nanoparticules de carbone qui ont déjà montré des avantages catalytiques de bon augure, présentent une fluorescence modulable et similaire à celles des QDs, une absorption dans l'UV et le visible ainsi qu'un faible photo-blanchiment. Grâce à leur structure graphitique, ils peuvent également améliorer la conductivité électronique et favoriser la séparation des porteurs de charges de divers matériaux semi-conducteurs. De plus ils présentent une faible cytotoxicité et une excellente biocompatibilité - car composés majoritairement de carbone - par rapport aux autres QDs à base de métaux lourds. L'objectif de ce travail est d'utiliser les Cdots comme co-catalyseurs pour la production photocatalytique de dihydrogène. En effet la stratégie consiste à photosensibiliser nos matériaux semi-conducteurs, l'oxyde de zinc (ZnO), le trioxyde de tungstène (WO3) et le dioxyde de titane (TiO2), par la formation d'hybrides semi-conducteurs/Cdots. L'étude porte tout d'abord sur le développement de procédés permettant la synthèse reproductible des semi-conducteurs utilisés en tant que matériaux de référence. Il s'agit par la suite de décorer ces semi-conducteurs en formant des hybrides avec des Cdots dopés par des hétéroéléments différents. Ces Cdots pouvant être synthétisés par une multitude de procédés, une étude portant sur la synthèse de Cdots dopés à l'azote, à partir de petites molécules organiques et par une méthode hydrothermale utilisant des micro-ondes, couramment utilisée dans la littérature, est dans un premier temps réalisée. Nous avons pu mettre en évidence la présence d'une grande quantité de fluorophores organiques, responsables de la fluorescence typique des Cdots communément décrite. Ces résultats sont en accord avec plusieurs études récemment publiées. Une telle observation a suscité un véritable débat sur les produits de la synthèse et a questionné encore plus le rôle des Cdots en photocatalyse, malgré les nombreux travaux dans la littérature vantant les propriétés étonnantes des Cdots. Pour clarifier la situation, nous avons développé un procédé de purification permettant de séparer les Cdots des fluorophores, afin d'étudier le rôle de chaque composé dans l'activité photocatalytique. En parallèle, nous avons analysé d'autres procédés de synthèse de Cdots afin d'obtenir des Cdots purs et d'étudier leur influence sur la production photocatalytique de dihydrogène. Après la mise en lumière de nombreux problèmes liés à l'utilisation de molécules et solvants organiques, deux procédés semblent permettre la synthèse de Cdots purs et dopés en l'absence de quelconques sous-produits non désirés. Ainsi la synthèse de ces nanoparticules d'intérêt, par les procédés d'oxydation électrochimique et d'ablation laser, ont permis la formation d'hybrides et l'étude de leur dopage sur les propriétés catalytiques de nos systèmes.