Engineering of a viable artificial leaf for solar fuel generation - BIG - Chimie et Biologie des Métaux (CBM) Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

Engineering of a viable artificial leaf for solar fuel generation

Construction d'une feuille artificielle pour la production de carburants solaires

Résumé

In addition to the mature renewable electricity production, solar fuels production possibly combined with fuel cells devices promises a sustainable and environmentally friendly solution to answer both the global ever-increasing energy demand and the damages to the biosphere brought by the abuse of fossil fuels. Countless efforts have been made in improving the individual materials and components required to drive the overall water splitting for solar H2 fuel production. However, the ultimate goal of this research field is the fabrication of operational devices and prototypes. Through the collaboration between the two laboratories in France and Vietnam, we successfully construct two types of unassisted solar fuels generators. The first device is a monolithic integrated PV-electrolyzer in artificial leaf configuration, which was made famous by D. Nocera (Harvard University), that is capable of producing hydrogen fuel through direct solar water splitting. The leaf features a pair of water electrolysis catalysts deposited on a commercial triple junction silicon solar cell through a novel self-assembly approach from a single deposition solution. The second device is a tandem hybrid photoelectrochemical cell based on a dye-sensitized photocathode and a BiVO4¬-based photoanode that can produce syngas without any external bias. Performance study of the devices was done employing an operando setup comprises of multiple potentiostats coupled with gas chromatography. It was shown that the artificial leaf exhibits comparable performance to the similar but more complex to fabricate one featured by D. Nocera. However, the degradation of the light harvesting unit in the electrolyte is a big problem and suitable protection is required to increase the overall stability of the device. For the tandem device, the photocathode is currently the limiting component due to desorption of the dye from the corresponding electrode. Nevertheless, the successful fabrication of the devices and the implementation of an experimental setup to monitor their important parameters during operation is a prominent milestone for future improvements.
En parallèle de la production d’électricité renouvelable, la production de carburants solaires, éventuellement combinée à leur conversion ultérieure via des piles à combustible, est une solution durable et respectueuse de l'environnement à la fois pour répondre à la demande énergétique mondiale toujours croissante et éviter les dommages causés à la biosphère par l'utilisation de combustibles fossiles. De nombreux efforts ont été accomplis pour améliorer les composants individuels et matériaux capable d’effectuer les réactions conduisant à la production de tels carburants solaires. Cependant, l’objectif de ce champ de recherche reste la fabrication de dispositifs et prototypes opérationnels. Grâce à la collaboration entre deux laboratoires en France et au Vietnam, nous avons construit avec succès deux types de générateurs autonomes de carburants solaires. Le premier dispositif monolithique est un photo-électrolyseur intégré selon une configuration de feuille artificielle telle que popularisée par D. Nocera (Université d’Harvard) capable de produire de l'hydrogène par décomposition solaire directe de l'eau. La feuille renferme des catalyseurs bimétalliques d’anode et de cathode différents mais déposés en une seule étape grâce à la mise au point d’une solution de dépôt unique sur une cellule solaire commerciale à triple jonction en silicium. Le deuxième dispositif est une cellule photoélectrochimique tandem hybride qui renferme une photocathode à colorant et une photoanode à base de vanadate de bismuth qui, combinées, produisent sous irradiation du gaz de synthèse sans autre biais externe. L'étude des performances des dispositifs a été réalisée via leur instrumentation utilisant plusieurs potentiostats couplés à la chromatographie en phase gazeuse. Il a été montré la feuille artificielle atteint des performances comparables à d’autres dispositifs similaires décrit par D. Nocera mais plus compliqués à fabriquer. Cependant, la dégradation du composant photovoltaïque au contact de l'électrolyte est un gros problème et une protection appropriée sera nécessaire pour augmenter la stabilité globale du dispositif. Pour la cellule photoélectrochimique tandem, la photocathode limite actuellement les performances du dispositif en raison de la désorption du colorant de l'électrode. Néanmoins, la fabrication des dispositifs opérationnels et la mise au point d'une configuration expérimentale pour mesurer leurs paramètres de fonctionnement est une étape importante en vue d’améliorations futures de tels prototypes.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03917668 , version 1 (02-01-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03917668 , version 1

Citer

Duc Nguyen Ngoc. Engineering of a viable artificial leaf for solar fuel generation. Organic chemistry. Université Grenoble Alpes [2020-..]; Institut Polytechnique (Hanoï), 2021. English. ⟨NNT : 2021GRALV066⟩. ⟨tel-03917668⟩
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