Sols et gels photosensibles à base d'oxyde de titane pour applications photovoltaïques

Abstract

Au coté de leur indice de réfraction élevé justifiant l emploi des dioxydes de titane comme pigment blanc, de nouvelles applications dans le domaine de l environnement succitent un engouement croissant auprès de la communauté scientifique durant cette dernière décennie. Ces applications exploitent leurs propriétés photoactives: photocatalyse, photovoltaïque, matériaux auto-nettoyants . Les études précédemment menées au sein de l Institut des Matériaux Jean Rouxel, ont permis de synthétiser différentes variétés d oxyde de titane utilisables pour ces différentes applications. L objet de ce travail concerne de nouveaux sols et gels hybrides, présentant des propriétés photosensibles originales. Une étude approfondie des mécanismes de formation de ces sols et gels a été menée. Le rôle actif du solvant organique dans le processus de poly-condensation a été mis en évidence par spectroscopie Raman et RMN 1H et 13C. Le contrôle de l hydrolyse du précurseur de titane permet d obtenir des sols et des gels dont la partie inorganique, structurée à l échelle nanométrique, a été caractérisée par spectroscopie d absorption des rayons X (XANES et EXAFS). L étude de leurs propriétés photochromes a été menée par spectroscopie d absorption UV-visible. Les études par magnétométrie et XPS ont permis de proposer un mécanisme réactionnel expliquant le phénomène photochimique observé sous irradiation UV. Il implique une réduction du Ti(IV) en Ti(III) et la participation des espèces organiques adsorbées sur le matériau. Une cellule photovoltaïque de type cellule à colorant a été développée afin de tester les possibilités d utilisation du gel pour la conversion de l énergie solaire. Les expériences de photoélectrochimie réalisées sur l électrode photoactive montrent un stockage des charges lors de l irradiation. Cette propriété autorise la réalisation d un dispositif permettant la conversion et le stockage de l énergie solaire: une photobatterie rechargeableBeside to their white pigment properties, known for several years, new applications of the titanium oxides induces a lot of new scientific works during the past decade. All these new applications, like photodepollution of water through photocatalysis, air cleaning, dye sensitized solar cells (DSSC), self cleaning surfaces are based on the photoactive properties of this material. The previous studies done at the Institut des Materiaux Jean Rouxel, lead to the synthesis of various forms of titanium oxide that can be used for this different applications. During this study, we focus on new hybrid sols and gels, having original photosensitive properties. The formation mechanisms of these sols and gels have been studied. The Raman and 1H and 13C NMR spectroscopies have shown that the organic solvent is directly involved in the condensation mechanism. In particular the hydrolysis of the organic solvent produces dimethylammonium chloride and methanoic acid, both strongly interacting with the inorganic nanostructured framework. The extension of the latter controls the sol-gel transformation and was characterised by X-ray absorption spectroscopy (XANES and EXAFS). The photochromic properties were investigated by UV-visible spectroscopy. Using the magnetic results and XPS studies, we proposed a reaction mechanism, involving the reduction of Ti(IV) to Ti(III), for the blue coloration appearing under UV irradiation. The importance of the organic part from the solvent in this mechanism has also been pointed out. A photovoltaic cell, based on the principle of DSSC, has been developed to evaluate the possibilities of the gel for solar energy conversion applications. The photo-electrochemical experiments done on the photoactive electrode show a chemical storage of the charges formed under irradiation. This property enables the development of a device that could convert and store solar energy : a rechargeable photobatteryNANTES-BU Sciences (441092104) / SudocSudocFranceF