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Photocatalyse pour l'énergie : retour sur la Rencontre Scientifique « Photo4E » (15-17 oct 2014, IFPEN Lyon)

Juin 2015

La rencontre scientifique a accueilli 64 participants, majoritairement universitaires et comptant 30% d’étudiants, d’origines géographiques variées. Plus d’une quinzaine de nationalités étaient en effet représentées, provenant majoritairement d’Europe, mais aussi du Japon, d’Afrique et du Moyen-Orient.
 
Les principales présentations de ces rencontres Photo4E seront reprises dans un numéro à paraître en 2015 de la revue en ligne OGST, revue gratuite d’IFP Energies nouvelles.

Photo4E

 

Résumé des communications

La photocatalyse, utilisée comme moyen de produire de l’énergie électrique ou chimique, connaît depuis plusieurs années un fort développement.
 
Les voies les plus étudiées concernent la production d’hydrogène par photolyse de l’eau, la production d’hydrocarbures valorisables par réduction de CO2 et la production d’électricité par les cellules solaires à colorants.
 
Les différentes stratégies recensées sont la Photocatalyse (ou photochimie catalytique), la photocatalyse photosensibilisée et la PhotoElectroCatalyse.
 
Le programme de la Rencontre scientifique était structuré autour de trois sessions thématiques et d’une session finale plus prospective. Les grandes tendances et quelques éléments-clés ressortis des exposés oraux, y compris des conférences plénières, sont résumés ci-après.
 

Session 1: Matériaux photocatalytiques : concepts émergents pour la synthèse

(Photocatalytic Materials : emerging concepts for synthesis)

Dans ce domaine, les principaux axes de recherches concernent :

  1. la modification des propriétés intrinsèques des semi-conducteurs
  2. la recherche de nouvelles architectures ou structures composites générant des hétérojonctions particulières,
  3. l’utilisation de nouveaux complexes moléculaires utilisés comme photo-sensibilisateur.

Parmi les phénomènes qui restent à optimiser et qui font l’objet de nombreuses études, on peut citer de manière non exhaustive :
- le «band-gap engineering»,
- la recombinaison des charges photo-générées, leur piégeage par un co-catalyseur ou leur transport dans le semi-conducteur,
- l’adsorption des réactifs (par exemple du CO2),
- ou encore la résonance plasmon de surface.
 
Cette session a été introduite par une revue sur les fuels solaires, avec en particulier une analyse technico-économique de la voie PhotoElectroCatalyse (PEC) pour la production d’hydrogène moléculaire (H2). Concernant de nouvelles formulations, destinées soit à la photolyse de l’eau soit la réduction du CO2, les solutions étudiées poursuivent des objectifs divers: réduction de coût, amélioration de performance ou élimination de composés toxiques par substitution des éléments actuels.
 

Session 2 :  Etudes approfondies des mécanismes et aspects cinétiques

(Comprehensive studies on mechanisms and kinetics)

De multiples techniques d’investigation sophistiquées, y compris operando, ont été mises à profit dans le cadre des travaux présentés, lesquels étaient focalisés sur la compréhension des systèmes en fonctionnement :
- identification des mécanismes de production et de piégeage des électrons
- observation d’espèces chimiques formées
- détermination de durée de vie des excitons, etc.
 
On notera aussi le recours à des calculs de modélisation moléculaire ab-initio pour rationaliser les phénomènes.
 

Session 3 : Techniques de caractérisation, ingénierie, procédés

(Characterization techniques, engineering, process)

Parmi les diverses techniques rapportées à l’occasion des exposés figurent :

  • la technique de RPES (Resonant Photo Emission Spectroscopy) qui, dans le cas d’une cellule photo-électrochimique destinée à  la photolyse de l’eau par réaction d’OER (Oxygen Evolution Reaction), a permis d’accéder à la structure électronique des hétérojonctions de couches minces et de renseigner sur la présence de défauts favorisant une recombinaison non souhaitée des charges.
  • l’absorption X operando, utilisée pour suivre les modifications de propriétés électroniques et structurales du Pt supporté sur TiO2, et qui permet de mesurer l’augmentation de la densité électronique des orbitales Pt5d avec l’intensité lumineuse et la longueur d’onde.
  • la FM-AFM (Frequency Modulation - Atomic Force Microscopy), technique operando en développement qui permet d’étudier l’adsorption de molécules sur une surface, et par exemple expliquer l’hydrophilicité d’une surface de TiO2 induite par l’exposition aux UV.

D’autre part, des systèmes et des principes innovants ont été décrits, comme par exemple :
- l’utilisation de l’interface entre 2 électrolytes non miscibles,  comme milieu favorable à la réalisation d’une réaction (photo)-électrochimique, de par l’homogénéité de sa surface, l’absence de défauts ou encore la séparation possible des réactifs et produits formés.
- un système combiné, intégrant un réacteur photocatalytique pour la production d’H2 par déshydrogénation d’alcool et une pile à combustible PEMFC, dont le fonctionnement opérationnel a été démontré, en dépit d’une performance globale qui  reste encore faible.
- une cellule photochimique servant à la production d’électricité par photolyse de l’eau sous UV et dotée de 2 compartiments séparés par une membrane conductrice de proton.
 

Session 4 : Futures opportunités en photocatalyse pour l’énergie

(Future opportunities in photocatalysis for energy)

La dernière session a quant à elle donné lieu à des présentations à caractère plus prospectif, comme par exemple :
- l’utilisation de complexes moléculaires pour la photolyse de l’eau
- l’utilisation de MOF (Metal-Organic Frameworks) pour la photoréduction du CO2
- le design rationnel de cellules photo-electro-chimiques en vue leur développement à plus grande échelle.
 

Plus d'information
 
- www.rs-photo4e.com
 
-  La simulation quantique au service des futurs "carburants solaires" (Fil d'Info Science - Mai 2014)

Antoine Fécant

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

 


 

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