Molecular Photocathodes for CO2 reduction and H2 evolution – PhotoCAT

PhotoCAT a appliqué des concepts dérivés de la photosynthèse naturelle pour résoudre un problème clé dans le développement de cellules de photo-électrolyse efficaces pour la décomposition de l'eau et la réduction du CO2. En particulier, nous avons assemblé des systèmes photocatalytiques moléculaires et reproduit la fonction de l'appareil photosynthétique à travers la combinaison de photosensibilisateurs (colorants) et de catalyseurs mimant des photosystèmes (contenant des pigments tels que des chlorophylles) et des enzymes, respectivement. PhotoCAT se focalise sur la construction de photocathodes originales à travers le greffage covalent de photosensibilisateurs et de catalyseurs sur un matériau conducteur de type p tel que NiO, la caractérisation extensive de ces architectures, l'évaluation de l'activité photoélectrocatalytique de ces photocathodes dans des conditions expérimentales pertinentes au vu des exigences technologiques de la photoélectrolyse et leur optimisation rationnelle. L'objectif final de PhotoCAT était l'assemblage d'une cellule PEC complète basée sur les photocathodes mentionnées ci-dessus couplée à une photoanode réalisant l'oxydation de l'eau.

Nous avons développé des films semi-conducteurs de type p tels NiO ou CuGaO2 déposé sur FTO. Des photocathodes moléculaires pour la réduction de l'eau en hydrogène ont été élaborées par cogreffage de colorants moléculaires (à base de complexes de complexes polypyridine de Ru (II) ou des colorants organiques donneur-accepteurs) et de catalyseurs de cobalt bioinspirés sur des électrodes de NiO nanostructurées. Ces photocathodes ont été caractérisées par des techniques physico-chimiques avancées comme la spectroscopie d'absorption UV-visible résolue en temps et leur activité a été démontrée. Pour produire des photocathodes capables de réduire le CO2 en un carburant, des photoscatalyseurs de Ru(II), Os(II) et Ir(III) ayant des groupes acide méthylphosphoniques ont été développés pour être combinés avec des électrodes semi-conductrices de NiO et CuGaO2. En combinant ces photocathodes moléculaires avec une photoanode de TaON modifiée par CoOx, nous avons réussi à construire une cellule DS-PEC hybride pour la réduction du CO2 en utilisant l'eau comme source d'électrons pour la première fois.

L'objectif ambitieux de la photosynthèse artificielle est de fournir une alternative durable à la production de carburants à base de ressourcess fossiles. La photosynthèse, où l'énergie solaire, l'eau et le dioxyde de carbone sont transformés en énergie chimique sous forme d'hydrocarbures, sert de modèle. L'utilisation du CO2 – déchet remplace le pétrole brut en tant que matière première et représente un moyen prometteur pour une production circulaire de produits chimiques et de combustibles.

Le projet PhotoCAt a conduit à la publication de X articles de recherches originaux dans des revues internationales à comité de lecture, de nombreuses communications invitées dans des conférences nationales et internationales. Certaines de ces publications ont été remarquées par la communauté internationale comme en témoignent le grand nombre de citation dans d’autres travaux. D’autres travaux issu de la tâche 2 vont être soumis pour publication

Notre futur énergétique repose sur la conception de procédés innovants, efficaces, durables et peu coûteux permettant la conversion et le stockage d’énergies renouvelables telles que l’énergie solaire. La production d’hydrogène, vecteur à fort potentiel énergétique, par photolyse de l’eau est aujourd’hui une solution attractive, tout comme la production de carburants via la réduction photo-électrochimique du CO2 Ces deux technologies nécessitent la mise au point de dispositifs photo-actifs capables de convertir efficacement la lumière en énergie chimique. PhotoCAT a pour but global la production de carburants solaires (CO, HCOOH ou hydrogène) par réduction de l’eau ou du CO2, via des procédés photo-électrocatalytiques mimant le processus de photosynthèse. Des catalyseurs mimant les enzymes de la chaine photosynthétique ainsi que des photosensibilisateurs moléculaires, analogues des chlorophylles, seront co-immobilisés sur des oxydes métalliques transparents pour obtenir des photocathodes moléculaires de production d’hydrogène ou de réduction du CO2. On s’attachera à utiliser des catalyseurs à base d’éléments abondants, tels que le cobalt et le manganèse, ou des photosensibilisateurs organiques, limitant ainsi le recours aux éléments toxiques et aux métaux nobles. Ces photocathodes seront couplées à des photoanodes permettant d’oxyder l’eau et de fournir les électrons nécessaires au fonctionnement des photoanodes, tout en ne rejetant que de l’oxygène. Le projet PhotoCAT vise à la mise au point de deux dispositifs prototypes.