Nitrure de carbone, Carbon dots, Polyoxométallates, OER, Oxydation de l'eau, Dioxygène, Dihydrogène, Électrocatalyse, Photo-électrocatalyse, Cobalt

Avec l'intensification de l'activité humaine depuis plusieurs décennies, la consommation mondiale d'énergie a considérablement augmenté. Cependant, celle-ci provient principalement d'énergies fossiles, conduisant irrémédiablement à l'émission de gaz à effet de serre et au réchauffement climatique. Le dihydrogène s'est révélé être une bonne alternative aux énergies fossiles. C'est un vecteur énergétique que l'on pourrait obtenir à l'aide de procédés écologiques. Par exemple, l'eau peut être décomposée électrochimiquement en dihydrogène et dioxygène. Cette réaction peut être divisée en deux procédés : l'oxydation de l'eau en dioxygène et la réduction de l'eau en dihydrogène. La réaction d'oxydation est plus difficile à réaliser en raison de l'échange simultané de 4 électrons et d'un potentiel à appliquer élevé. Les meilleurs catalyseurs pour ce procédé sont les oxydes de métaux nobles (RuO2, IrO2...), mais ils sont rares et coûteux. Le défi est de développer des matériaux à base de métaux de transition, comme le cobalt, possédant une bonne efficacité et une grande stabilité. Ce processus peut être assisté par la lumière grâce à l'utilisation de semi-conducteurs. L'un des plus utilisés est le dioxyde de titane (TiO2) dont la largeur de la bande interdite vaut 3,2 eV. Il absorbe donc dans l'UV ne permettant par l'absorption du domaine du visible. Or le spectre solaire est composé à 45% de visible et seulement 5% d'UV. De nouveaux matériaux, capables d'utiliser la lumière visible, doivent être développés. En particulier, nous étudions ici deux matériaux à base de carbone présentant des propriétés optiques intéressantes pour la photo-électrocatalyse de l'eau : le nitrure de carbone (C3N4) et les carbon dots (CD).Le nitrure de carbone (C3N4) est un semi-conducteur polymérique, dont la structure se présente sous la forme d'un empilement de feuillets composés de carbone et d'azote. Il a été montré que sa largeur de bande interdite est de 2,7 eV, permettant une absorption dans le visible. Les CD sont des nanoparticules de carbone fluorescentes dont la taille est inférieure à 10 nm. Ils peuvent absorber dans le domaine du visible, leur absorption étant ajustable par modification de leur taille ou par fonctionnalisation de leur surface. Ces deux matériaux carbonés pouvant absorber dans le domaine du visible, ils ont suscité beaucoup d'attention pour des réactions de photocatalyse et photo-électrocatalyse, car la principale limitation concernant ces derniers est la possibilité d'utiliser la lumière visible. Nous présentons dans cette thèse l'étude de ces semi-conducteurs avec des catalyseurs à base de cobalt. Deux catalyseurs ont été choisis. Un polyoxométallate (POM) de cobalt et le catalyseur phosphate de cobalt bien connu (CoPi) décrit pour la première fois par D. G. Nocera. Ces deux catalyseurs ont montré leur efficacité dans la réaction d'oxydation de l'eau en dioxygène. C3N4, sous la forme de nano-feuillets, est associé au POM de cobalt puis au CoPi sous la forme de nanoparticules et les CD ont été associés au CoPi. Dans les deux cas, nous avons étudié l'oxydation électrocatalytique et éventuellement photo-électrocatalytique de l'eau en dioxygène. Dans les deux cas, des études par voltampérométrie et chronoampérométrie ont montré l'augmentation de l'activité catalytique des hybrides étudiés. Dans le cas de l'association C3N4/POM, nous avons également réalisé une étude sous irradiation lumineuse (dans le domaine du visible). La voltampérométrie montre une augmentation du courant sous irradiation, suggérant un transfert électronique. L'association de ces matériaux à base de carbone avec des catalyseurs à base de cobalt permet d'obtenir des processus plus respectueux de l'environnement pour la décomposition catalytique de l'eau, en utilisant des matériaux non nobles et en exploitant le domaine visible de la lumière solaire, ce qui constitue la principale limitation pour le processus photo-electrocatalytique.