Matériaux pour la photo (électro-) catalyse


Les matériaux à base de Bismuth, bien qu’encore relativement peu étudiés, possèdent un fort potentiel d’adaptabilité pour des application en photocatalyse hétérogène. Nous les avons étudiés dans différentes applications que sont la remédiation de l’eau, la conversion du CO2 ainsi que la production d’H2 vert.

Bi based materials for photoelectro catalysis
Bi based materials for photoelectro catalysis

Matériaux photocatalytiques pour la remédiation des eaux

Grâce à la maîtrise de la pulvérisation réactive d’une cible de Bismuth en mélange Ar/O2/CF4, nous sommes capables de faire de l’ingénierie de bandes par le contrôle de la teneur en oxygène et fluor incorporés dans les films, offrant une large gamme de composés photocatalytiques de type BiOxFy. En outre, nous avons réussi à former en une seule étape des hétérojonctions BiOx ou BiOxFy / Bi métallique, dans lesquelles la teneur contrôlée en Bismuth métallique permet de favoriser la séparation de charges photogénérées et ainsi d’amplifier la réponse photocatalytique. Ces systèmes s’avèrent stables dans le temps lors de leur utilisation pour la photodégradation de polluants dans l’eau, étudiée au sein du projet Réseaux.

MATEPP 2
MATEPP 2
MATEPP 3
MATEPP 3

(gauche) Vitesse de dégradation du méthyl-orange pour des systèmes BiO0,5F2/Bi avec différentes teneurs en Bi et (droite) Réutilisation d’un film durant 3 cycle de photo-dégradation du méthyl-orange sans perte d’activité.

Photoconversion du CO2 en molécules d’intérêt

Les hétérojonctions BiOx ou BiOxFy / Bi semblent particulièrement pertinentes pour la photoconversion du CO2. En effet, des rendements équivalent à TiO2 ont pu être mesurés, pour une sélectivité proche de 100% en CO, grâce à des tests menés à l’IFPEN (IFP- Energie Nouvelles, Solaize). Le lien entre les nanoparticules métalliques et les oxyfluorures de Bismuth dans l’amplification de la photoconversion est exploré du point de vue de la chimie du solide grâce à l’action ciblée PowerCO2 du PEPR SPLEEN (2022-2027) et grâce à la modélisation de leurs propriétés électrooptiques via l’action MOBIDIC.

L’autre enjeu de ces hétérojonctions obtenues d’abord en couche mince est de les nano-structurer afin d’augmenter leur surface de contact avec le milieu extérieur tout en réduisant la distance à parcourir pour les charges photogénérées. C’est ce qui est investigué par la synthèse de ces matériaux sous forme de nanorods (par dépôt en incidence rasante) et en nanoparticules (par pulvérisation sur liquide) grâce au projet Pulsion et l’ANR BiBOP.

MATEPP 4
MATEPP 4
MATEPP 5
MATEPP 5
MATEPP 6
MATEPP 6

Rendement des photoproduits lors de la photoconversion du CO2 en voie gaz (gauche) avec un TiO2 P25 et (centre) avec un système BiO0,5F2/Bi, (droite) schéma possible de l’hétérojonction.

BiVO4 comme photoélectroanode pour la production de H2.

Dans les dispositifs de photo-production de H2, BiVO4 apparait très prometteur comme photoanode, qui reste le point bloquant du système. La thèse de Mathias Goutte (2022-2025) est actuellement en cours sur ce sujet. Il s’agit ici de pulvériser simultanément 2 cibles (de Bi et de V) dans une atmosphère Ar/O2 afin de maîtriser le rapport V/Bi des films obtenus. Ainsi, des couches stœchiométriques mais aussi des hétérojonctions associant BiVO4 à des oxydes de Bismuth ou de Vanadium peuvent être obtenues. L’originalité de ce travail réside également dans la maîtrise de l’étape de recuit qui permet, en jouant sur la diffusion du Bi, d’obtenir des films à porosité contrôlée favorisant le contact avec l’eau, ou de la décoration de la couche avec des nanoparticules pour amplifier le photocourant.

MATEPP 7
MATEPP 7
MATEPP 8
MATEPP 8

(gauche) décoration des films de BiVO4 avec des particules de Bi, (droite) amplification du photocourant le temps de formation des domaines métalliques.


 

Publications sur ce sujet:

  1. “Bismuth-based oxyfluorides as emergent photocatalysts: A review”, Thomas Erbland, Sara Ibrahim, Lucas Pelat, Kevin Lemoine, Angélique Bousquet*, Pierre Bonnet*, Molecules, (2025) accepté.
  2. Photocatalytic Properties of Bismuth Oxyfluoride Thin Films Deposited by Reactive Magnetron Sputtering in Ar/O2/CF4 Atmosphere, S. Ibrahim, L. Minasyan, P. Bonnet, G. Monier, E. Tomasella, T. Sauvage, M. Richard-Plouet, M. Le Granvalet, A. Bonduelle, C. Pagis, A. Bousquet, 2023, hal-04037069v1.
  3. Tailoring the Structural and Optical Properties of Bismuth Oxide Films Deposited by Reactive Magnetron Sputtering for Photocatalytic Application, S. Ibrahim, P. Bonnet, M. Sarakha, C. Caperaa, G. Monier, A. Bousquet, Materials Chemistry and Physics, 243 (2020) 122580.