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La simulation quantique au service des futurs "carburants solaires"

Mars 2014

La découverte de matériaux photocatalytiques permettant de stocker de l’énergie solaire sous forme chimique, via la transformation de molécules telles que le dioxyde de carbone (CO2) ou l’eau (H2O), représente un enjeu considérable.

Le principe général de cette photosynthèse artificielle est basé sur  l’absorption de photons de la lumière du soleil par le matériau, lequel devient alors capable d’activer les liaisons chimiques des molécules, et de leur transférer l’énergie de ces photons pour former de nouvelles molécules à haut contenu énergétique : sucres (photosynthèse naturelle) ou alcools dans le cas du CO2, dihydrogène (H2) dans le cas de l’eau.

Les enjeux scientifiques et techniques se situent à deux niveaux :

  • La compréhension et l’optimisation des propriétés optiques ("band gap engineering") du matériau semi-conducteur afin de maximiser l’absorption des photons de la lumière solaire et formation de paires "trou (h +) – électron (e -)" ;
  • La compréhension et l’optimisation des mécanismes des transformations chimiques des molécules CO2 ou H2O en présence de cette paire "trou (h +) – électron (e -)".

IFP Energies nouvelles (IFPEN) , en partenariat avec le Laboratoire de Chimie de l’ENS Lyon, a entrepris des études quantiques des propriétés électroniques et optiques du dioxyde de titane (TiO2) dopé, matériau semi-conducteur connu pour sa capacité à absorber les photons de la lumière solaire.

La simulation quantique de spectres d’absorption, en fonction de la nature du dopant (azote, soufre) et de sa localisation dans le matériau, a révélé les espèces chimiques impliquées dans l’amélioration des capacités d’absorption dans la gamme spectrale du visible, gamme la plus intéressante pour maximiser le nombre de photons absorbés de la lumière solaire incidente. Ce résultat ouvre des perspectives sur la mise en œuvre d’une méthodologie computationnelle d’ingénierie des matériaux semi-conducteurs à propriétés optiques contrôlées.

Ce travail a été réalisé dans le cadre d’ un projet collaboratif associant des partenaires académiques de la région Rhône-Alpes (IRCELYON, CPE Lyon, ENS Lyon et IFPEN) à l’Université KAUST d’Arabie Saoudite.

 

Références :

1) "Anionic or Cationic S-Doping in Bulk Anatase TiO 2: Insights on Optical Absorption from First Principles Calculations" - M. Harb,  P. Sautet,  and P. Raybaud. The Journal of Physical Chemistry C 117 (2013) 8892-8902 >> Doi: 10.1021/jp312197g

2) "Origin of the Enhanced Visible-Light Absorption in N-Doped Bulk Anatase TiO2 from First-Principles Calculations" - M. Harb,  P. Sautet,  and P. Raybaud. The Journal of Physical Chemistry C 115 (2011) 19394–19404 >> Doi: 10.1021/jp204059q

Simulation quantique du spectre d’absorption optique du semi-conducteur TiO 2 -anatase dopé par l’azote correspondant à la structure atomique optimale : 2 atomes d’azote (N, en bleu) en substitution de 2 atomes d’oxygènes (O, en rouge) voisins d’un site lacunaire en oxygène (VO). Le déplacement vers les longueurs d’onde élevées ("décalage vers le rouge") révèle une absorption accrue de photons dans le visible permettant la création de la paire "trou (h + ) – électron (e - )" et nécessaire à la photodissociation de l’eau (H2O) et sa recombinaison en dihydrogène (H2) et dioxygène (O2).

 

Antoine Fécant

> voir la vidéo "Ruptures" d'Antoine Fécant, ingénieur de recherche à IFPEN
(sur le site ConnaissanceDesEnergies.org)

 
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