Nouveaux développements vers la photo-oxydation de l eau en oxygène

Documents pareils
Élaboration et caractérisation de cellules photovoltaïques de troisième génération à colorant (DSSC)

Structure quantique cohérente et incohérente de l eau liquide

Les batteries électriques pour les camions et bus électriques Etat de l'art, perspectives et interrogations

Laboratoire de Photophysique et de Photochimie Supra- et Macromoléculaires (UMR 8531)

Contribution des faisceaux d ions à l élaboration de dispositifs pour l électronique souple

hydrogène au service des énergies renouvelables

EXERCICE II. SYNTHÈSE D UN ANESTHÉSIQUE : LA BENZOCAÏNE (9 points)

1 ère partie : tous CAP sauf hôtellerie et alimentation CHIMIE ETRE CAPABLE DE. PROGRAMME - Atomes : structure, étude de quelques exemples.

THEME 2. LE SPORT CHAP 1. MESURER LA MATIERE: LA MOLE

Les nanostructures de carbone, un matériau polyvalent pour les biocapteurs et les (bio)piles à combustibles

BICNanoCat. Bombardement Ionique pour la Création de Nano Catalyseurs. Denis Busardo Directeur Scientifique, Quertech

Notes. Schéma général PRODUCTION ÉLECTROLYTIQUE Composés inorganiques, nonmétaux

T4 Pourquoi éteindre les phares d une voiture quand le moteur est arrêté? Comment fabriquer une pile? un accumulateur?

LABORATOIRES DE CHIMIE Techniques de dosage

Semi-conducteurs. 1 Montage expérimental. Expérience n 29

a-si:h/c-si heterojunction solar cells: back side assessment and improvement

Dr Berdj Haroutunian, 5, Chemin Gottret ch-1255 VEYRIER tél (0) berdj@haroutunian.ch

de suprises en surprises

β-galactosidase A.2.1) à 37 C, en tampon phosphate de sodium 0,1 mol/l ph 7 plus 2-mercaptoéthanol 1 mmol/l et MgCl 2 1 mmol/l (tampon P)

Interactions des rayonnements avec la matière

Application à l astrophysique ACTIVITE

Énergie. 26] Énergie Pour la Science - n Juillet 2011

Procédés plasmas à faisceau d ions. P.Y. Tessier

Programme consultant expert (PCE)

Le monde nano et ses perspectives très prometteuses.

FICHE DE DONNEES DE SECURITE

Enseignement secondaire

Chap 1: Toujours plus vite... Introduction: Comment déterminer la vitesse d une voiture?

BTS BAT 1 Notions élémentaires de chimie 1

Mesures de PAR. Densité de flux de photons utiles pour la photosynthèse

Production d hydrogène par électrolyse de l eau sur membrane acide

LES NANOMATERIAUX. Groupe 2 PRST2 2012

Le projet HBS. LETI/DSIS Jean-Jacques Chaillout CEA. All rights reserved

FORMATION ASSURANCE QUALITE ET CONTROLES DES MEDICAMENTS QUALIFICATION DES EQUIPEMENTS EXEMPLE : SPECTROPHOTOMETRE UV/VISIBLE

Exemple de cahier de laboratoire : cas du sujet 2014

De la physico-chimie à la radiobiologie: nouveaux acquis (I)

Théorie des multiplets! appliquée à! la spectroscopie d ʼabsorption X!

Fonctionnalisation de surfaces de carbone nanostructuré et son effet sur la réponse électrochimique

Abschlusskonferenz OUI Biomasse / Conférence de clôture OUI Biomasse

Les Rencontres Scientifiques Colas

Principe de la corrosion galvanique :

Capacité Métal-Isolant-Semiconducteur (MIS)

Centre Universitaire LA CITADELLE 220, avenue de l Université B.P DUNKERQUE CEDEX 1 GUIDE DES ETUDES LICENCE PROFESSIONNELLE

SESSION 2013 ÉPREUVE À OPTION. (durée : 4 heures coefficient : 6 note éliminatoire 4 sur 20) CHIMIE

5.5.5 Exemple d un essai immunologique

Chapitre 6 : les groupements d'étoiles et l'espace interstellaire

NEXT days 2 ème édition

Ecole d été des spectroscopies d électrons.

Enova Le technorama de la REE. Jean-Pierre HAUET Rédacteur en Chef REE. Le 11 septembre 20141

FIOLAX. SCHOTT Instruments Solutions. Les solutions tampon dans les ampoules uniques à deux pointes offrent une haute sureté et précision.

Calcaire ou eau agressive en AEP : comment y remédier?

Pourquoi un fort intérêt de l industrie du pneumatique pour les nanomatériaux?

101 Adoptée : 12 mai 1981

- I - Fonctionnement d'un détecteur γ de scintillation

Professeur Eva PEBAY-PEYROULA

Atelier : L énergie nucléaire en Astrophysique

Les réactions ion neutre dans la base de

RDP : Voir ou conduire

Energie nucléaire. Quelques éléments de physique

Comprendre l Univers grâce aux messages de la lumière

AGREGATION DE BIOCHIMIE GENIE BIOLOGIQUE

Nouvelles électrodes de batteries pour le stockage électrique à haute densité

pka D UN INDICATEUR COLORE

Partie Observer : Ondes et matière CHAP 04-ACT/DOC Analyse spectrale : Spectroscopies IR et RMN

Panorama de l astronomie. 7. Spectroscopie et applications astrophysiques

Transport des gaz dans le sang

Transport des gaz dans le sang

TECHNIQUES: Principes de la chromatographie

Rayonnements dans l univers

Chapitre 02. La lumière des étoiles. Exercices :

Origine du courant électrique Constitution d un atome

MODELE DE PRESENTATION DU PROJET

Caractérisation non linéaire de composants optiques d une chaîne laser de forte puissance

SECTEUR 4 - Métiers de la santé et de l hygiène

D ETECTEURS L UXMETRE SUR TIGE C OMPTEUR DE FRANGES A FIBRE OPTIQUE. Détecteurs

10 en agronomie. Domaine. Les engrais minéraux. Livret d autoformation ~ corrigés. technologique et professionnel

Projet SETHER Appel à projets Adrien Patenôtre, POWEO

Retour d expérience, portage de code Promes dans le cadre de l appel à projets CAPS-GENCI

A N A L Y S E U R E N L I G N E D A G V D E S B I C A R B O N A T E S D E L A L C A L I N I T E

Viandes, poissons et crustacés

Vulcano Pièges Fourmis

Mise en Forme des Matériaux Polymères Polymer Processing. Philippe Cassagnau

Plate forme de modélisation en vue de la prédiction de la durée de vie des bétons vis-à-vis de la pénétration d agents agressifs

DOSSIER. Les propriétés uniques de l or dans les nanotechnologies Un nouveau filon pour les scientifiques

' Département de Chimie Analytique, Académie de Médecine, 38 rue Szewska,

TRAVAUX PRATIQUES D INTRODUCTION À L ÉTUDE DES RÉACTIONS ÉLECTROCHIMIQUES

Sondes de conductivité pour applications industrielles hygiéniques

SUIVI CINETIQUE PAR SPECTROPHOTOMETRIE (CORRECTION)

Supercondensateurs électrochimiques : des matériaux aux dispositifs.

Nanofluides et transfert de chaleur par convection naturelle

PROPOSITION TECHNIQUE ET FINANCIERE

Présentation du programme. de physique-chimie. de Terminale S. applicable en septembre 2012

ECO-PROFIL Production Stratifié HPL mince fabriqué par Polyrey

Nous vous présentons la technologie du traitement de surfaces du 21 ème siècle

Liquides oraux : et suspensions. Préparations liquides pour usage oral. Solutions

Anne Vanasse, agr., Ph.D. Université Laval. Le chapitre 3. Les rédacteurs

REACTIONS D OXYDATION ET DE REDUCTION

TITRONIC et TitroLine. Les nouveaux titrateurs et burettes

ACIDES BASES. Chap.5 SPIESS

EXERCICES SUPPLÉMENTAIRES

Transcription:

Nouveaux développements vers la photo-oxydation de l eau en oxygène Marc Fontecave Laboratoire de Chimie et Biologie des Métaux, Université Joseph Fourier, CNRS, CEA/DSV/iRTSV CEA-Grenoble 17 rue des martyrs 38054 Grenoble cedex 9, France mfontecave@cea.fr; Phone: (0033)438789103 ; Fax: (0033)438789124 Collège de France, 11 Place Marcelin Berthelot, 75231 Paris Cedex 05

Photolyse de l eau: Vers une nouvelle classe de photolyseurs 2H 2 O = O 2 + 2H 2 e - Cathode H 2 O H + H + H + ou Photocathode Photoanode - SC-n : Fe 2 O 3 /WO 3 - Catalyseurs Oxydes (Co) -Complexes moléculaires (Mn) ( photosensibilisateur moléculaire) O 2 H 2 O 2 H 2 Catalyseurs moléculaires Ni-NTC Co NiFe FeFe

1972: Fujishima A. and Honda K. Nature 238 37 Photolyse de l eau via le SC TiO 2 (rendt <3%) VERROUS: 1. Il faut des matériaux absorbant la lumière visible H 2 O O 2 2. Dans ce cas, ils ne peuvent pas à la fois réduire et oxyder H 2 O Pb 1 Irradiation UV uniquement (rendt 50%) 3. Il faut des catalyseurs (sans métaux nobles) 4. Pour optimiser les rendements limiter les recombinaisons de charge Pb 2 Cinétique/catalyse

Former un «trou» pour oxyder l eau Oxydes métalliques semiconducteurs (TiO 2, WO 3, Fe 2 O 3 ) Cahier des charges pour les matériaux de photoélectrodes: -Absorption dans le visible -Stabilité à la lumière -Énergies des bandes de valence et de conduction adaptées -Transport des charges dans le semiconducteur efficace -Faibles surtensions -Faibles coûts

3.1 ev > SC «gap» > 1.9 ev (0.3 ev pertes thermodynamiques + 0.4 ev surtensions cinétiques)= 1.23 + 0.3 + 0.4 3.1 ev = 400 nm; 1.9 ev = 650 nm Efficacité de conversion (énergie H 2 /énergie solaire) -j densité de photocourant (Am -2 ) -P light intensité de lumière incidente (Wm -2 ) -V redox = 1,23V -V B potentiel supplémentaire nécessaire (bias) η STH max = 16.8 % (gap=2.03 ev) Int. J. Hydr. En. 2006 31 1999

TiO 2 Avantages: -Ti 3 ème élément le + abondant -Très utilisé en photocatalyse (synthèse, désinfection,.) -Production: 5,5 millions de tonnes -Toxicité limitée -peu de photocorrosion ( peu de réaction h +/ O 2- de la matrice solide) Inconvénients: -Cinétiques de réaction faibles (cata) -Absorption UV (6% spectre solaire) -faibles rendements (< qq %) H 2 O

Fe 2 O 3 matériau «idéal» pour une photoanode Avantages: -Fe 2 ème élément le + abondant -Absorption visible (2,1 ev=539 nm) -Stabilité Inconvénients: -Énergie de la BC trop faible -Faible efficacité (<5-20%) faible réactivité des «trous» en surface diffusion des «trous» lente (qq nm; 10-1 cm 2 V -1 s -1 ) surtensions catalyseurs

Fe 2 O 3 photoanode Dopage (Nb, SiO 2,, ); rendt: 35-40% Nanostructuration des électrodes (Grätzel) -Nanostructure dendritique -Dopage SiO 2 -Dépôt de Co(II) JACS 2006 128 15714 2,7 ma.cm -2 à 1,23 V(ENH) Rendt: 42% (370 nm;1,23v) Catalyseurs (Co ) JACS 2009 131 6086 300 mv

Photoanode WO 3 J Am Chem Soc (2010) 132 5858

Pt/WO 3 (O 2 ) Pt/ZrO 2 /TaON (H 2 ) 420 nm rendt quantique: 6,3 %

Catalyseurs 1. Les catalyseurs doivent opérer le plus près possible du potentiel de la réaction d oxydation de l eau (rendt énergétique maximal) 2. Les catalyseurs doivent être stables (corrosion limitée) IrO 2 CoPi, Co 2 O 3

J. Phys Chem C 2004 108 9115 [Ru 2+ ]* S 2 O 8 2- J. Phys Chem C 2009 113 12958 Film de nanoparticules IrO 2 sur électrode de C TOF= 5-6 s -1, OV=0.25 V pour I = 0.5 ma.cm -2 Rendt:100%; 0.1 A.cm -2 (1.35 V vs Ag/AgCl) Ru 2+ Ru 3+ Ir 5+ Ir 4+ Catalyseurs oxydes: IrO 2 H 2 O O 2 TOF=40 s -1, OV=370mV CELLULE PHOTOELECTROCHIMIQUE -Photocourant : 10-30 µa (>410 nm, bias > -325 mv vs Ag/AgCl) -Instabilité du système -Rendt < 1% J. Am. Chem. Soc. 2009 131 926

Catalyseurs oxydes: cobalt D. Nocera, Science 2008 321 1072 Voltammétrie cyclique sels de Co 2+ Tampon phosphate, ph 7 H 2 O O 2 Oxydation de Co 2+ à 1,13V Vague catalytique à 1,23 V Électrolyse (ITO) de sels de Co 2+ Tampon phosphate, ph 7, 1,3V Dépôt de nanoparticules Co 3+ (O)(OH)(Pi) sur électrode Dégagement O 2 (marquage isotopique) Rendt: 100% Surtensions: 400 mv

Catalyseurs oxydes: cobalt D. Nocera (MIT) D. Nocera Chem Soc Rev 2009 38 109 D. Nocera J. Am. Chem. Soc 2009 131 3838 Électrolyse (ITO) de sels de Co 2+ Tampon phosphate, ph 7, 1,3V Dépôt de nanoparticules Co 3+ (O)(OH)(Pi) sur électrode Dau, H J. Am. Chem. Soc 2009 (250 mv)

Catalyseurs oxydes: cobalt H. Frei, LBNL JACS 2009 131 16589 1. IrO x nanoparticules 1. Co 3 O 4 Ru(bipy) 476nm ph 5.8 S 2 O 8 2- (S 2 O 8 2- ) Rendt quantique: 13% Paquet d=35-65 nm Barre d= 7nm; l=50 nm X 96 Co surface (par rapport à µparticules) Angew Chem 2009 48 1841 TOF= 1140 s -1 (cluster) 0.01 s -1 (Co) Surtension 350 mv Rendt quantique 18%

Ru(bipy) + hν + persulfate Ru(bipy) + hν + persulfate Angew Chem 2009 48 1841

Angew Chem 2010 49 2233 Catalyseurs oxydes: manganese-ca Mn 2 O 3 CaMn 2 O 4 Photooxydation (Ru + Co + λ>400nm)) Particules en suspension Ce(IV) (E=1.7 V ENH acide) Le PS des origines de la vie?

Catalyseurs moléculaires

Complexes binucléaires Ce 4+ : 1,53V (NHE) ph1 Ru-X-Ru Meyer (1982) Ru 3+ X = O Ce 4+ : 13-70 Thummel (2005) Ru 2+ X = pyrazole Ce 4+ : 100-500 Sun (2009) Ru 2+ Ce 4+ : 1700 Llobet (2004) Ru 2+ X = pyrazole Ce 4+ : 18-200 Tanaka (2000) Ru 2+ ITO/1,7V : 33500

Divers Ru: mononucléaire Ir: monunucléaire Bernhard (2007) Ir 3+ Ce 4+ : 3000 (jours) Thummel (2005) Ru 2+ Ce 4+ : 260

Complexe de Meyer Photooxydation de l eau (Hurst, Inorg Chem 2008 47 1753)

Bonchio, Hill (2008) Ce 4+ : 385/90% (2h) Divers Ru: polyoxométallate Photooxydation de l eau (CL Hill J Am Chem Soc 2009)

Un «oxyde de cobalt» moléculaire CL Hill, Science 2010 [Co 4 (H 2 O) 2 (α-pw 9 O 34 ) 2 ] 10- Rendt = 65% TOF = 5 s -1 TON = 1000 (dégradation du PS)

Photocatalyseurs moléculaires (Ru) Inorg Chem 2010 49 209 (1) Ru(L) 3 3+ + H 2 O O 2 (Ru 3+/2+ 1.1-1.2V) (2) *Ru(L) 3 2+ + Co 3+ Ru(L) 3 3+ +Co 2+ 1 Décomposition du PS et du cata TOF = 550/h TON = 100 (2h)

C. Dismukes (Princeton) Un tétranucléaire de Mn Modèle du site actif de PSII Angew. Chem 2008 47 1-5 Acc. Chem Res. 2009 42 1935 JACS 2010 132 2892 2 Mn(III) 2 Mn(IV)

Le premier catalyseur à manganèse pour la photo-oxydation de l eau 1/1 + (1.1-1.2V vs ENH) 0.85V (Ag/AgCl) + 1 V (Ag/AgCl), Na 2 SO 4aq, hν (275-750 nm) H 2 O* e - + H + + *O 2 Rendt: 100% (pas d oxydant sacrificiel TON: 1000 oxydant= électrode) TOF: 20-270 O 2 /h/cata vitesse~10-4 v PSII

photoanode Une cellule photoélectrochimique (Mn) JACS 2010 132 2892 1.4 V 1.2 V ph 6.5 Na 2 SO 4 hν >290 (395)nm 1.7% I ~ 5-10 µa.cm -2 Décomposition dye+cata? Rendt: 100% TOF: 40 O 2 /h/cata H 2 O* e - + H + + *O 2 H 2

Nouveaux développements vers la photo-oxydation de l eau en oxygène Marc Fontecave Laboratoire de Chimie et Biologie des Métaux, Université Joseph Fourier, CNRS, CEA/DSV/iRTSV CEA-Grenoble 17 rue des martyrs 38054 Grenoble cedex 9, France mfontecave@cea.fr; Phone: (0033)438789103 ; Fax: (0033)438789124 Collège de France, 11 Place Marcelin Berthelot, 75231 Paris Cedex 05