Polyoxométallates photosensibilisés avec des carbon dots : des matériaux pour la conception d'une nouvelle génération de photo-anodes en vue du craquage photo-électrocatalytique de l'eau – POMDOT

L’exploitation massive des énergies fossiles ces dernières décennies pose de graves problèmes environnementaux. En effet, l’émission de gaz à effet de serre tels que CO2 est un exemple de l’impact sur la Terre de nos consommations énergétiques actuelles. Le développement de nouvelles technologies énergétiques alternatives devient donc une priorité. Ainsi, l'hydrogène apparaît de nos jours comme un très bon vecteur énergétique. En particulier, le développement d'une approche basée sur la production d'hydrogène à partir de sources vertes et renouvelables et sans formation de dioxyde de carbone est nécessaire. L'énergie solaire apparaît ainsi comme une excellente source d'énergie alternative. En effet, l'énergie solaire peut alors être utilisée pour conduire au craquage photo-électrocatalytique de l'eau. Dans ce contexte, d'originales cellules photo-électrochimiques ont déjà été développées. Elles sont constituées d'une photo-anode à la surface de laquelle l'oxydation de l'eau est effectuée. Les électrons sont ensuite injectés dans un circuit extérieur jusqu'à une cathode, généralement en platine, au niveau de laquelle les protons sont réduits en dihydrogène. De nombreux photocatalyseurs moléculaires ont déjà été utilisés pour de telles photo-anodes. Parmi eux, les polyoxométallates (POM) constituent une classe originale de clusters inorganiques anioniques du type métal-oxygène possédant d'intéressantes propriétés électrochimiques. Ils sont en particulier capables d'échanger réversiblement et rapidement un grand nombre d'électrons. De plus, leurs propriétés physico-chimiques peuvent être facilement modulées en ajustant leur composition et leur structure selon le protocole de synthèse employé. Il est alors possible de synthétiser des POM aux propriétés électrochimiques adéquates aux applications recherchées. Ils sont notamment connus pour leurs applications en électro- et photocatalyse. Néanmoins, pour des applications en photocatalyse, les POM souffrent d'un sérieux inconvénient pour puisqu'ils n'absorbent que dans le domaine de l'U.V. Pour remédier à ce problème, une stratégie consiste alors à associer aux POM des photosensibilisateurs absorbant dans le visible et servant de relais d'électrons. Ainsi, plusieurs types de photosensibilisateurs ont déjà été employés pour étendre le domaine d'activité des POM dans le visible. Dans ce projet, nous envisageons de coupler les POM à des carbon dots (C-dots). Les C-dots correspondent à une nouvelle famille de nanoparticules de carbone qui possèdent des propriétés photophysiques similaires à celles des quantum dots, mais présentent l'avantage de n'être constitués que de carbone. Ce projet est divisé en trois parties. Tout d'abord, une grande partie de ce projet sera consacrée à la synthèse de POM et de C-dots, ainsi qu'au développement d'hybrides POM-C-dots électrostatiques et covalents. En particulier, nous allons nous attacher à la synthèse de C-dots ayant une bande d'absorption significative dans le domaine du visible, ainsi qu'au développement de nouvelles stratégies pour fonctionnaliser les C-dots, notamment en utilisant des sels de diazonium. L'étape suivante sera dédiée à la mise en forme de ces matériaux hybrides afin d'obtenir des photo-électrodes. Afin de tester ces photo-anodes, des mesures de photocourant seront effectuées dans l'eau afin de montrer leur capacité à oxyder l'eau. Des cellules photo-électrochimiques seront alors construites afin d'effectuer le craquage photo-électrocatalytique de l'eau. Des applications en photocatalyse pour la dégradation de polluants organiques seront aussi étudiées. Finalement, dans une dernière étape, les transferts électroniques entre les C-dots excités et les POM seront étudiés par différentes méthodes physico-chimiques, en particulier par spectroscopie d'impédance électrochimique, spectroscopie de fluorescence et technique de réflexions de micro-ondes afin de comprendre les mécanismes impliqués dans le procédé photo-électrochimique.