Sangare, Kassoum
(2020).
« Synthèse et caractérisation de nanoparticules semi conductrices de CuGaS2 de type N pour la photoélectrolyse de l'eau » Thèse.
Montréal (Québec, Canada), Université du Québec à Montréal, Doctorat en chimie.
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Résumé
La production photo(électro)catalytique d’hydrogène à partir d’une solution aqueuse et d’un matériau semi-conducteur constitue une méthode de conversion de l’énergie solaire en énergie chimique très intéressante. Plusieurs travaux réalisés dans l’ultraviolet (UV) ont conduit à des rendements prometteurs. Le défi majeur réside dans la mise au point de photoélectrocatalyseurs capables de fonctionner de façon efficace dans le visible pour une meilleure utilisation de l’énergie solaire. Dans ce projet, nous avons réalisé la synthèse colloïdale du semi-conducteur CuGaS2 de type n avec trois ratios atomiques Ga/Cu. Nous avons d’abord fait réagir sous argon les composés GaCl3 et Li2S, préalablement dissous séparément dans du 1-methylimidazole (NMI), pour former l’intermédiaire LiGaS2 scindé en trois volumes identiques. À chaque volume de LiGaS2 a été ajouté un volume d’une solution de CuCl/NMI correspondant au ratio atomique Ga/Cu désiré. Les mélanges obtenus ont ensuite été traités à 80 °C pendant 20 h sous Ar pour obtenir des suspensions colloïdales de CuGaS2. Les particules de CuGaS2 ont été filtrées et recuites sous vide à 600 °C durant 2 h. Les analyses chimiques par ICP-OES (spectrométrie d’émission optique à plasma à couplage inductif) et par EDS (spectroscopie à rayons X à dispersion d’énergie) ont révélé des compositions de l’ordre de 2, 6 et 12 % d’excès en gallium comparé au cuivre, suggérant une conductivité de type n. Par ailleurs, la quantification par XPS (spectroscopie du photoélectron X) révèle un excès accru de gallium à la surface du matériau, avec des ratios Ga/Cu respectifs de 1,62 , 1,75 et 2,09 pour les échantillons correspondant aux ratios 1,02, 1,06 et 1,12 dans le volume. La diffraction des rayons X (DRX) a confirmé la phase chalcopyrite du matériau et a révélé une taille des cristallites avoisinant 20 nm. Les propriétés morphologiques et optiques des semi-conducteurs préparés ont été étudiées respectivement par microscopie électronique à transmission (MET) et microscopie électronique à balayage (MEB), et par spectroscopie d’absorption UV-Visible avec des valeurs de bande interdite de 2,41, 2,19 et 2,02 eV pour les compositions 1,02, 1,06 et 1,12, respectivement. La spectroscopie d’impédance électrochimique a confirmé la conductivité de type n des matériaux et a permis de comprendre l’influence du rapport atomique Ga/Cu sur les propriétés du CuGaS2, telles que le potentiel de bande plate qui devient de plus en plus négatif et la densité des porteurs de charges majoritaires qui augmente avec la teneur en gallium comparée au cuivre. L’activité photoélectrocatalytique des électrodes de CuGaS2 a été évaluée dans une solution électrolytique aqueuse de KOH 0,5 M, en étudiant la photo-oxydation de l’eau à l’aide d’un simulateur solaire. Nous avons noté que l’échantillon avec un ratio Ga/Cu de 1,06 présente la photosensibilité la plus élevée, avec une densité de photocourant d'environ 2,5 μA/cm2, comparativement aux échantillons de compositions 1,02 et 1,12 qui montrent des valeurs d’environ 2 μA/cm2 et 1 μA/cm2, respectivement.
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MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : CuGaS2, chalcopyrite, synthèse colloïdale, photocourant, ratio atomique, semi-conducteur, photoélectrolyse de l’eau
| Type: |
Thèse ou essai doctoral accepté
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Directeur de thèse: |
Marsan, Benoît |
| Mots-clés ou Sujets: |
CuGaS2 / Semi-conducteurs / Chalcopyrite / Photoélectrolyse de l'eau / Hydrogène énergétique |
| Unité d'appartenance: |
Faculté des sciences > Département de chimie |
| Déposé par: |
Service des bibliothèques
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| Date de dépôt: |
23 avr. 2021 10:21 |
| Dernière modification: |
23 avr. 2021 10:21 |
| Adresse URL : |
http://archipel.uqam.ca/id/eprint/14205 |
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