Le but de ces travaux était de développer des membranes conductrices protoniques de type phosphonique par PECVD radio-fréquence en décharges continue et pulsée à partir du mono-précurseur diméthyl allylphosphonate. De telles membranes sont pressenties comme pouvant avantageusement remplacer la membrane Nafion® ou les membranes conventionnelles de type sulfonique ou phosphonique classiquement utilisées dans les dispositifs piles à combustible ou électrolyseur de type PEM. Ainsi, une étude paramétrique visant à établir des corrélations entre les propriétés des films et les paramètres de dépôt a été menée. Il ressort de cette étude paramétrique que l’utilisation d’une décharge pulsée est favorable à une vitesse de croissance plus élevée et une densité des films plus faible que le mode de décharge continue, favorisant ainsi la conduction protonique. Nous avons également démontré que les dépôts réalisés en mode de décharge pulsée présentent de meilleures capacités de sorption et de rétention d’eau, ce qui est bénéfique pour l’application visée qui est la (photo-)électrolyse de l’eau. Par ailleurs toutes les membranes phosphoniques plasma préparées sont stables d’un point de vue rétention d’eau et réseau covalent jusqu’à au moins 250 °C, ce qui garantit leur utilisation dans des systèmes pouvant fonctionner jusqu’à 120 °C. Par la suite les membranes phosphoniques plasma ont été intégrées en cellule d’électrolyse de l’eau, associées au Nafion® en tant qu’électrolyte. Les caractérisations électrochimiques en cellule ont montré que les membranes phosphoniques plasma sont suffisamment compétitives pour être envisagées dans le futur comme électrolytes solides à part entière dans des AME « tout solide ». / The purpose of this work was to develop phosphonic-type proton conductive membranes by radio-frequency PECVD in a continuous or pulsed discharge from the single precursor dimethyl allylphosphonate. Such membranes could advantageously replace the Nafion® membrane or conventional sulfonic-type or phosphonic acid-type membranes, more classically used in PEM fuel cells and electrolysis devices. A parametric study was carried out in order to establish correlations between the properties of the films and the deposition parameters. It appears that the use of a pulsed discharge promotes better films properties, namely higher growth rate and lower density, than the continuous discharge, thus promoting proton conduction. It was also noticed that the deposits prepared in a pulsed discharge have the highest sorption and water retention capacities, which is particularly beneficial for the intended application i.e. the (photo-) electrolysis of water. Furthermore, all the plasma phosphonic membranes prepared are stable in terms of water retention and covalent network up to at least 250 °C, which ensures their use in systems able to operate up to 120 °C. Subsequently the plasma phosphonic membranes, deposited on the Nafion® as mechanical support, were integrated as electrolyte membrane into a water electrolysis cell. It turns out that plasma phosphonic membranes are competitive enough to be envisaged in the future as integral solid electrolytes in solid membrane-electrodes assemblies.

Le Ta₃N₅ fait partie des matériaux les plus prometteurs pour la photo-électrolyse de l’eau. En effet, la bande de valence et la bande de conduction sont situées autour du potentiel d’évolution de l’hydrogène et de l’oxygène et son petit gap (2.1eV) permet l’absorption d’une grande partie du spectre solaire. Par contre la synthèse de ce matériau est difficile à cause de la structure riche en azote (faible diffusion) et de l’état d’oxydation élevé du Ta (+5) dans le cristal de Ta₃N₅. Sa synthèse par pulvérisation cathodique est peu exploitée à ce jour, malgré que cette technique de dépôt permette d’augmenter le rapport ion-neutre arrivant sur le film en croissance et donc de fournir de l’énergie supplémentaire à la surface du film favorisant ainsi la cristallisation. Lors cette thèse, des couches minces de Ta₃N₅ ont été déposées par pulvérisation cathodique dans une atmosphère réactive. Il y est montré que la pulvérisation d’une cible de Ta produit des Ar rétrodiffusés avec des énergies élevées qui augmentent l’incorporation de défauts dans la couche lorsque la polarisation de la cible est élevée. Des films de Ta₃N₅ ont été déposés en mode continu ce qui a permis de maintenir une polarisation faible. Il a été mis en évidence que l’oxygène incorporé dans le cristal joue un rôle crucial pour la déposition du film de Ta₃N₅. De plus, l’oxygène influence fortement les propriétés des couches minces, notamment les propriétés optiques et électroniques. Un nouveau système, augmentant le flux d’ions vers le substrat, a été installé dans le réacteur de dépôt ce qui a augmenté le degré de cristallisation de la phase Ta₃N₅. Les connaissances acquises lors de cette thèse ont été utilisées pour préparer des photoanodes à partir de Ta₃N₅ et leur aptitude à décomposer l’eau sous l’illumination du soleil a été démontrée. / Ta₃N₅ is one of the most promising candidates for efficient water splitting using sunlight due to its band positions with respect to the oxygen and hydrogen evolution potentials and its small band gap of 2.1eV. Its synthesis, however, is challenging given its high content of nitrogen, with its low diffusivity, and the Ta metal atom in a high oxidation state. Few investigations into its synthesis by magnetron sputtering exist to date although this technique offers the possibility of tuning the ion-to-neutral flux ratio onto the growing film. This can change the supply of energy onto its surface and therefore promote the crystallization. In this thesis, reactive magnetron sputtering is investigated for the preparation of Ta₃N₅ thin films. It is shown that sputtering of a Ta target in an Ar atmosphere produces energetic backscattered Ar neutrals at high target potentials. To keep the potential low, Ta₃N₅ is deposited by sputtering in DC mode. The growth of the Ta₃N₅ phase requires the incorporation of oxygen into the lattice. It is shown that optical and electronic properties of these samples vary strongly with the precise amount of oxygen in the thin film. Samples with a high degree of crystallinity are obtained by increasing the N₂⁺ flux onto the substrate by changing the form of the magnetic field of the magnetron. The highly crystalline samples prepared by this method are proven to work as photoanodes for the splitting of water under illumination.

L’objectif principal de ce travail de thèse était de mettre en évidence et de mesurer l’effet co-catalytique de complexes moléculaires organo-métalliques à base de métaux de transition adsorbés sur des semi-conducteurs dopés photo-actifs vis-à-vis des réactions de photo-dissociation de l’eau et de photo-réduction du dioxyde de carbone, en en vue d’applications dans des cellules photochimiques et photo-électrochimiques. Nous avons tout d’abord identifié et sélectionné les matériaux (deux semi-conducteurs photo-actifs et deux co-catalyseurs moléculaires électroactifs) les plus adaptés (les résultats sont présentés dans le chapitre I). Nous avons ensuite conçu, développé et mis au point un bâti expérimental permettant la détection et le dosage en continu des produits de réaction lors des réactions d’intérêt (les résultats sont présentés dans le chapitre II). La détection des produits de réaction se fait à l’aide d’un chromatographe en phase gazeuse couplé au réacteur. Nous avons ensuite élaboré/synthétisé et mesuré les propriétés intrinsèques des matériaux sélectionnés (les résultats sont présentés dans le chapitre III). Finalement, nous avons mis en évidence l’activité co-catalytique des complexes utilisés et mesuré un ensemble d’indicateurs de performance tels que les cinétiques de réaction et les fréquences de « turn-over » (les résultats sont présentés dans le chapitre IV). / The main objective of this research work was to put into evidence the co-catalytic effect of organo-metallic molecular complexes containing transition metals as reactive centers, adsorbed at the surface of doped semiconductors with photo-activity with regard to water photo-dissociation and carbon dioxide photo-reduction, in view of practical applications in photochemistry and photo-electrochemistry. First, appropriate materials (two photoactive semiconductors and two molecular co-catalysts) have been identified and selected (results are presented in chapter I). Then, we have designed, constructed and optimized a specific test bench that can be used for the continuous detection and titration of reaction products (results are presented in chapter II). Product analysis was achieved by coupling a gas-phase chromatograph to the photo-electrochemical reactor. Then, photoactive semiconductors and molecular co-catalysts have been elaborated/synthesized and their intrinsic properties have been measured (results are presented in chapter III). Finally, the co-catalytic activity of molecular complexes has been put into evidence and several performance indicators such as reaction kinetics and turn-over frequency have been measured (results are presented in chapter IV).