Nanoparticules métalliques dopées au phosphore pour la production de combustibles solaires

Satisfaire les besoins de la société, notamment dans les secteurs de l'industrie et des transports, induit une demande mondiale en énergies fossiles non renouvelables qui ne cesse d'augmenter entraînant des émissions de gaz à effet de serre et contribuant au changement climatique. Ces dernières années, les carburants solaires (« solar fuels »), molécules permettant de stocker l'énergie solaire sous forme de liaisons chimiques, sont apparus comme une alternative durable aux combustibles fossiles. Leur production nécessite de développer des technologies adéquates, telles que le couplage de cellules photoélectrochimiques avec des panneaux photovoltaïques pour collecter l'énergie solaire. L'hydrogène est le carburant solaire le plus étudié. Sa production repose sur la dissociation de l'eau (water splitting), un processus assisté par des catalyseurs. Le platine est actuellement l'électrocatalyseur le plus utilisé dans les dispositifs commerciaux, mais s'agissant d'un métal rare et coûteux, son remplacement est primordial pour disposer d'une technologie soutenable. Il a été démontré que des matériaux à base d'autres métaux de transition (i.e. métaux natifs, oxydes, sulfures, nitrures, séléniures, chalcogénures et phosphures) peuvent constituer des alternatives aussi performantes que le platine, dans des conditions catalytiques optimisées, tant en termes d'activité catalytique que de stabilité. L'intérêt des phosphures métalliques est double : 1) amélioration de l'activité, la sélectivité et la stabilité des catalyseurs et 2) réduction de la quantité de métal nécessaire et donc du coût des catalyseurs. Ceci a été tout particulièrement démontré pour la production d'hydrogène mais également d'autres carburants solaires. Les phosphures métalliques sont traditionnellement synthétisés dans des conditions drastiques de température et de pression, ce qui est à bannir pour une transition énergétique durable et soutenable. Cependant, des travaux récents revendiquent que des conditions plus douces peuvent être appliquées, moyennant des précurseurs de métal et de phosphore adaptés. Visant le développement de métaux nanostructurés dopés au phosphore pour catalyser la production solaire d'H2, ce projet est centré sur la synthèse de nanoparticules métalliques par une approche organométallique en présence de phosphines comme stabilisants. Ces nanoparticules seront utilisées comme précurseurs pour la formation de phosphures métalliques à la surface. Ces derniers seront évalués comme matériaux de cathode pour la production électrocatalytique d'H2. Cette stratégie de synthèse découle de la puissance de l'approche organométallique en termes d'ajustement et d'optimisation des conditions de synthèse (complexe métallique, nature et quantité de stabilisant, température, temps de réaction, etc.). Il en découle un contrôle précis de la morphologie et de la composition des nanoparticules formées, qui sont des critères fondamentaux pour l'analyse des performances en catalyse. La maîtrise de cette approche pour la préparation de nanomatériaux métalliques ou bimétalliques stabilisés par des ligands phosphorés par le groupe de l'UT, ouvre la voie vers des phosphures métalliques contrôlés pouvant servir de modèles pour une analyse approfondie de leurs propriétés électrocatalytiques photoactivées. Les connaissances générées dans le cadre de ce projet permettront d'approfondir la compréhension fondamentale des relations entre la structure et les propriétés des phosphures métalliques nanostructurés produits. Ces avancées pourraient avoir un impact significatif sur le développement de nouvelles technologies pour la conversion d'énergie, et trouver des applications dans les domaines de l'aéronautique et du spatial, où la production et l'utilisation de carburants légers, efficaces et durables constituent un enjeu stratégique. École doctorale : SDM - SCIENCES DE LA MATIERE - Toulouse Direction : Nuria ROMERO Financement : MSCA COFUND BEST