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Sujet de stage / Master 2 Internship

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Optimisation des photoanodes nanostructurés d'hématite par dopage Ti pour la production d'hydrogène par photoelectrolyse de l'eau

Spécialité : PHYSIQUE / Physique de la matière condensée

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 : 30/04/2019

Résumé :
Caractérisation de l'efficacité de production d'hydrogène pour différents niveaux de dopage Ti de photoanodes d'hématite obtenues par croissance chimique en phase aqueuse. Corrélation avec les propriétés chimiques / structurelles / électroniques locales des matériaux.

Sujet détaillé :
Stage M2 (Synchrotron SOLEIL / SPEC)
Responsable SOLEIL: Stefan Stanescu (stefan.stanescu@synchrotron-soleil.fr)
Responsable CEA: Dana Stanescu (dana.stanescu@cea.fr)

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). Mais 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 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 [1]. En général une cellule photoélectrochimique est constituée d’une photoanode semi-conductrice de type n associée à une cathode métallique classique. Le paramètre macroscopique qui confirme que la production d'hydrogène est le photocourant généré
Nous étudions actuellement des photoanodes d'hématite pures obtenues par une méthode simple et versatile, à savoir l'ACG : Aqueous Chemical Growth [2]. Plusieurs paramètres de croissance comme le pH de la solution, la température, et le temps de croissance, permettent d'ajuster les propriétés de ces photoanodes. Une étude précédente sur des films épitaxiaux modèles, nous a permis de démontrer une augmentation 10 fois de l'efficacité photoélectrochimique lors du dopage titane (Ti) de l'hématite [3]. Nous proposons ici de caractériser l'efficacité de production d'hydrogène pour différents niveaux de dopage Ti des photoanodes d'hématite obtenues par ACG, en corrélation avec les propriétés chimiques / structurelles / électroniques micro- and macroscopiques des matériaux.
Le stagiaire aura plusieurs missions : a) élaboration d'un protocole assurant une élaboration reproductible des échantillons dopés Ti avec un contrôle précis du niveau de dopage; b) la caractérisation de l'efficacité de production d'hydrogène par des mesures de photocourant; c) la caractérisation des propriétés chimiques / structurelles / électroniques à l'aide d'outils de microscopie de pointe; d) mise en évidence et modélisation des corrélations entre la conduction macroscopique et les propriétés physico-chimiques à l’échelle micro- et nano- scopique. Des techniques d’analyse spécifiques de laboratoire (mesures de photocourant, MEB - microscopie électronique à balayage, XRD - Diffraction des rayons X, XPS - Spectroscopie de photoémission par rayons X) et synchrotron (STXM - microscopie de rayons X à balayage en transmission, XPEEM - microscopie électronique à photoémission, XAS – spectroscopie d’absorption de rayons X) seront utilisées pour réaliser cette étude.
Le stage se déroulera sur la ligne HERMES [4] du Synchrotron SOLEIL, dédiée à la microscopie à rayons X (STXM et XPEEM). Les dépôts de photoanodes et les mesures de photocourant seront réalisés au laboratoire SPEC du CEA-Saclay.

[1] A. Fujishima and K. Honda, Nature, 1972, 238, 37 (1972), 10.1038/238037a0
[2] L. Vayssieres, Int. J. Nanotechnol. 2004, 1, 10.1504/IJNT.2004.003728, L. Vayssieres, Appl. Phys. A 89, 1–8 (2007), 10.1007/s00339-007-4039-0,
[3] M. Rioult, H. Magnan, D. Stanescu, A. Barbier, J.Phys.Chem.C, 2014, 118 (6), pp 3007–3014, 10.1021/jp500290j
[4] 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
Techniques utilisées au cours du stage :
techniques synchrotron: - STXM - Scanning Transmission X-ray Microscopy - XAS - X-ray Absorption Spectroscopy techniques de laboratoire: SEM - Scanning Electron Microscopy, XRD - X-ray Diffraction XPS - X-ray Photoemission Spectroscopy ACG - Aqueous Chemical Growth mesures de photocourant

Mots clés : Photoelectrolyse de l'eau; techniques synchrotron ; microscopie de rayons X

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