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Univ. Paris-Saclay

Service de Physique de l'Etat Condensé


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Nanostructuration d'électrodes de graphite décorées par des nanofils d'hématite pour la fabrication de microcellules liquides pour la photoélectrolyse de l’eau

Spécialité : PHYSIQUE / Physique des matériaux

Contact : STANESCU Dana,
e-Mail : dana.stanescu@cea.fr,   Tel : +33 1 69 08 75 48
Laboratoire : SPEC/LNO

Stage pouvant se poursuivre en thèse : Oui
Durée du stage : 0-6 mois
Date limite de constitution de dossier : 11/04/2020

Résumé :
Des cellules électrochimiques de taille micronique à trois électrodes sont nécessaires pour réaliser la caractérisation operando des photoélectrodes pendant la photoélectrolyse de l’eau. Pour cela, nous proposons un stage sur le développement d’électrodes nanostructurées en graphite décorées par des nanofils d'hématite déposées par voie chimique.

Sujet détaillé :
Les sources d'énergie renouvelables, ne représentent aujourd'hui que 20% de la consommation énergétique mondiale. Celles permettant de réduire les émissions de dioxyde de carbone dans l'atmosphère, peuvent apporter une réponse fiable à la demande d'énergie. Ainsi l'hydrogène semble être un vecteur énergétique efficace et durable puisque son énergie spécifique est d'environ 120 MJ / Kg, plus élevée que celle des hydrocarbures (46 MJ / Kg) ou des batteries lithium-air (8 MJ / Kg). De nos jours, plus de 95% de la production totale d'hydrogène (environ 50 millions de tonnes par an) dépend de l'industrie des combustibles fossiles, principalement le reformage du méthane à la vapeur, avec par conséquent un très fort impact carbone. L'hydrogène peut également être produit par l’électrolyse de l'eau. Un apport d'énergie important est toutefois nécessaire pour produire une différence de potentiel pour initier la réaction d'oxydoréduction (1,23 V). Une nouvelle idée, inspirée par la photosynthèse, est la photoélectrolyse de l'eau, où la lumière solaire est utilisée pour réduire le biais de tension nécessaire pour séparer l'hydrogène de la molécule d'eau. Une nouvelle idée, inspirée par la photosynthèse, est la photoélectrolyse de l'eau, où la lumière solaire est utilisée pour réduire l’apport externe d’énergie électrique nécessaire pour la dissociation de l’eau [1].
En général, une cellule photoélectrochimique est constituée d’une photoanode semiconductrice de type n (l’électrode de travail) associée à une cathode métallique (la contre électrode) et une électrode de référence. Le paramètre macroscopique qui confirme la production d'hydrogène est le photocourant [2]. Pour ce stage, nous proposons de développer des électrodes de travail de taille micrométrique sur du SiN, sous forme de nanostructures de graphite décorés par des nanofils d’hématites. L’optimisation du procédé de fabrication d’électrodes de travail de taille micronique fait partie d’une étude plus vaste portant sur la fabrication de cellules photoélectrochimiques de taille micronique définies entre deux membranes collées de SiN, pour la microscopie de rayons X. Ces cellules permettront de réaliser des études operando (c'est-à-dire pendant la réaction électrochimique et en présence de la lumière) à l'aide du microscope STXM (microscope en transmission des rayons X) de la ligne de lumière HERMES au Synchrotron SOLEIL [3]. Les électrodes de graphite seront obtenues par pyrolyse des films de résine photosensible (PPF) et par évaporation, en comparant leurs propriétés physico-chimiques afin de définir la meilleure approche. Des paramètres tels que la température et la durée de la pyrolyse, l’épaisseur de la résine photosensible ou les paramètres de l’étalement de la résine seront modifiés afin d'optimiser l'adhérence du graphite à la couche de SiN et sa conductivité électrique. Les nanofils d'hématite seront déposées en utilisant une méthode simple et polyvalente, la croissance par voie chimique (ACG) [4]. Les paramètres permettant une croissance optimale des nanofils d'hématite sont déjà connus grâce à des études précédentes.
Le stagiaire aura plusieurs missions: a) l’élaboration d’un protocole assurant un processus reproductible de fabrication d’électrodes en graphite de taille micronique décorées par de nanofils d’hématite, sur des couches de SiN et des membranes en SiN; b) la caractérisation de l'efficacité de ces électrodes pendant la photoélectrolyse par des mesures du photocourant; c) les mesures avec le STXM des photoanodes déposées sur des membranes en SiN et la caractérisation des propriétés chimiques / structurelles / électroniques de nanofils d'hématite décorant les électrodes de graphite. Des techniques combinées de laboratoire (lithographie, croissance par voie chimique, mesures du photocourant, SEM - microscopie électronique à balayage) et synchrotron (STXM et XPEEM – spectro-microscopie à rayons X des photoélectrons) seront utilisées dans cette étude.

resp. SPEC: Dana Stanescu (dana.stanescu@cea.fr)
resp. SOLEIL: Stefan Stanescu (stefan.stanescu@synchrotron-soleil.fr)

[1] A. Fujishima and K. Honda, Nature, 1972, 238, 37, 10.1038/238037a0
[2] M. Rioult, H. Magnan, D. Stanescu, A. Barbier, J.Phys.Chem.C, 2014, 118 (6), pp. 3007–3014, 10.1021/jp500290j
[3] R. Belkhou, S. Stanescu, S. Swaraj, A. Besson, M. Ledoux, M. Hajlaoui, D. Dalle, J. Synchrotron Radiat., 2015, 22 (4): 968-979, 10.1107/S1600577515007778
[4] L. Vayssieres, Int. J. Nanotechnol. 2004, 1, 10.1504/IJNT.2004.003728; L. Vayssieres, Appl. Phys. A, 2007, 89, 1–8, 10.1007/s00339-007-4039-0
Techniques utilisées au cours du stage :
Lithographie, croissance par voie chimique, mesures du photocourant, SEM, STXM, XPEEM

Mots clés : électrochimie; instrumentation;

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