La séparation photoélectrochimique de l'eau (PEC) est un moyen direct de produire un combustible solaire tel que l'hydrogène à partir de l'eau. Le goulot d'étranglement de ce processus se situe dans la photoanode, qui est responsable du côté oxydation de la réaction1,2. Dans ce travail, l'utilisation de BiVO4 en tant que photoanode a été largement étudiée afin d'améliorer sa photoactivité. L’optimisation de la synthèse de photoanodes BiVO4 par électrodéposition en couche mince sur du FTO a été réalisée. Les facteurs influant sur l'activité photoélectrochimique, tels que le temps d'électrodéposition, le rapport Bi-KI/benzoquinone-EtOH dans le bain de dépôt et la température de calcination, ont été étudiés à l'aide de la conception composite centrale d'expériences. Les états de surface sur la surface de BiVO4 donnent lieu à des niveaux de défaut pouvant induire une recombinaison électron-trou via le mécanisme de Shockley-Read-Hall5. Afin de minimiser les inefficacités dues à la recombinaison électron-trou et passiver les états de surface, des couches de recouvrement ultra-fines d'Al2O3 et de TiO2 ont été déposées sur les électrodes en film mince BiVO4 d'une manière analogue à l'ALD. Cela a également été réalisé afin de protéger la surface de BiVO4 de la photocorrosion et d’augmenter sa stabilité. Une densité de photocourant de 0,54 mA/cm2 à 1,23 V vs RHE a été obtenue pour les 2 cycles de BiVO4 modifié par Al2O3, comme le montre la Figure 2, soit une amélioration de 54% par rapport à la BiVO4 nue qui démontrait une densité de photocourant de 0,35 mA/cm2. à 1,23 V vs RHE. Une augmentation de 15% de la stabilité de l'électrode de BiVO4 modifiée par Al2O3 a également été observée au cours de 7,5 heures d'irradiation continue. De plus, grâce aux mesures de capacité de surface présentées à la Figure 3, il a été montré que la surcouche de Al2O3 passivait effectivement à passiver les états de surface des électrodes de BiVO4. La nature de la surface de BiVO4 a été étudiée en étudiant la réactivité de la poudre de BiVO4 avec un titrant chimique. L’existence de groupes hydroxyle de surface sur BiVO4 a été confirmée et quantifiée (max. 1,5 OH / nm2) par titrage chimique. La réaction de la poudre de BiVO4 avec une impulsion de AlMe3 et une impulsion de H2O a montré qu'il existait 1,2 molécules de CH4 dégagées par Bi-OH. Dans ce travail, nous avons pu mettre en évidence les facteurs importants dans la synthèse de BiVO4 et leur incidence sur la photoactivité résultante. Nous avons également réussi à passiver les états de surface de BiVO4 en utilisant Al2O3, ce qui n’est pas bien exploré dans la littérature. De plus, nous avons pu sonder et discuter de la nature de la surface de BiVO4. Ceci est une connaissance très fondamentale et le premier rapport à ce sujet, à notre connaissance. Une bonne compréhension de cette surface semi-conductrice importante et de ses interactions facilitera la conception d'un photoanode BiVO4 plus efficace / Photoelectrochemical (PEC) water splitting is a direct way of producing a solar fuel like hydrogen from water. The bottleneck of this process is in the photoanode, which is responsible for the water oxidation side of the reaction1,2. In this work, the use of BiVO4 as a photoanode was extensively studied in order to improve its photoactivity. The optimization of BiVO4 photoanode synthesis via thin film electrodeposition on FTO was performed. The factors affecting the photoelectrochemical activity such as the electrodeposition time, ratio of the Bi-KI to benzoquinone-EtOH in the deposition bath, and the calcination temperature, have been investigated by using the Central Composite Design of Experiments.Surface states on the BiVO4 surface give rise to defect levels, which can mediate electron-hole recombination via the Shockley-Read-Hall mechanism5. In order to protect the BiVO4 surface and minimize the inefficiencies due to electron-hole recombination and passivate the surface states, ultrathin overlayers of Al2O3 and TiO2 were deposited to the BiVO4 thin film electrodes in an ALD-like manner. A photocurrent density of 0.54 mA/cm2 at 1.23 V vs RHE was obtained for the 2 cycles Al2O3-modified BiVO4, which was a 54% improvement from the bare BiVO4 that demonstrated a photocurrent density of 0.35 mA/cm2 at 1.23 V vs RHE. A 15% increase in stability of the Al2O3- modified BiVO4 electrode was also observed over 7.5 hours of continuous irradiation. Moreover, through surface capacitance measurements, it was shown that the Al2O3 overlayer was indeed passivating the surface states of the BiVO4 electrodes. The nature of the BiVO4 surface was studied by investigating the reactivity of powder BiVO4 with a chemical titrant. The existence of surface hydroxyl groups on BiVO4 was confirmed and quantified (max 1.5 OH/nm2) via chemical titration. The reaction of the BiVO4 powder with one pulse of AlMe3 and 1 pulse of H2O showed that there were 1.2 molecules of CH4 evolved per Bi-OH. In this work, we were able to highlight which factors are important in the synthesis of BiVO4, and how they affect the resulting photoactivity. We have also achieved the passivation of the BiVO4 surface states using Al2O3, which is not well-explored in literature. Moreover, we were able to probe and discuss the nature of the BiVO4 surface. This is a very fundamental knowledge and the first report of such, to the best of our knowledge. A good understanding of this important semiconductor surface and its interactions will aid in the design of a more efficient BiVO4 photoanode

La modification du TiO₂ P25 par un ou deux métaux a connu un intérêt considérable ces dernières années, car ils constituent des catalyseurs et photocatalyseurs très actifs à la fois sous lumière UV et visible. Des nanostructures à un ou deux métaux, comme Au, Ag, Ag@CuO et CuO déposés sur le TiO₂ P25 ont la capacité d’absorber la lumière visible sur un large domaine de longueurs d’onde. Le TiO₂ modifié par des nanoparticules métalliques (comme, Cu, Au ou Ag) absorbe la lumière visible grâce à la résonance de plasmon de surface localisée (LSPR) des métaux. Dans le cas d’une hétérojonction de semi-conducteurs, la lumière visible est absorbée grâce à l’énergie du gap plus faible du second semi-conducteur (par rapport à celle du TiO₂ P25). La modification par une ou deux nanoparticules métallique induit une plus grande activité photocaralytique sous lumière visible par rapport au TiO₂ P25 pur, par transfert d’électrons vers la bande de conduction du P25. De plus sous lumière UV, la vitesse de capture d’électrons photo-excités peut être améliorée, ce qui inhibe les processus de recombinaison et permet de stocker ces électrons photo-excités.Cette thèse présente une synthèse des récentes avancées dans la préparation de TiO₂ modifié en surface par un ou deux métaux et ses applications environnementales. Des nanoparticules d’or ont été synthétisées par une méthode chimique à partir de chlorure de tetrakis(hydroxymethyl) phosphonium (THPC), des nanoparticules de Ag, Ag@CuO et CuO ont été synthétisées sur TiO₂ par radiolyse. L’effet de nombreux paramètres (comme la taille et la forme des particules ou la quantité de métal déposé) sur l’activité photocatalytique (oxydation du phénol, du 2-propanol et de l’acide acétique et génération d’hydrogène) a été étudié. La dynamique de porteurs de charge a été étudiée par conductivité microonde résolue en temps (TRMC). / The modification of TiO₂-P25 with one or two metal-based nanoparticles, have attracted considerable attention in recent years, as a new class of highly active catalysts and photocatalysts under both UV and visible light irradiation. One or two-metal-based structures, such as Au, Ag, Ag@CuO and CuO deposited on TiO₂-P25 have the ability to absorb visible light in a wide spectral range. Surface modified TiO₂ with metal nanoparticles (such as Cu, Au, Ag) absorb visible light due to the localized surface plasmon resonance (LSPR). In the case of semiconductor heterojunctions, they absorb visible light due to the narrow band gap of the second semiconductor, lower than TiO₂-P25. The modification with one or two metal-based nanoparticles induces a higher activity under visible light compared to pure TiO₂-P25, due to the transfer of electrons to the conduction band of TiO₂-P25. On the other hand, under UV irradiation, the speed of trapping photoexcited electrons can be improved, and inhibit the recombination process and have the capability of the storage of photoexcited electrons.This thesis presents recent advances in the preparation and environmental application of the surface modification of TiO₂-P25 with one or two-metal-based nanoparticles: The Au-NPs were synthesized by chemical method using tetrakis(hydroxymethyl) phosphonium chloride (THPC), and the nanoparticles of Ag, Ag@CuO and CuO-NPs were synthesized by gamma irradiation. Moreover, the effects of various parameters (such as particle size, shape of the nanoparticles and amount of metals) on the photocatalytic activity (phenol, 2-propanol and acetic acid oxidation, as well as hydrogen generation) were also studied. The charge carrier dynamics was studied by time resolve microwave conductivity (TRMC).

Ce travail rapporte l'élaboration par voies humides (sol-gel, précipitation) et sèche (mécanosynthèse) de photocatalyseurs originaux à l’état de poudre pure ou supportées sur des fibres de palygorskite (Pal), composant d’une argile brute naturelle d’origine marocaine. TiO2 seul, non dopé ou dopé au soufre, et couplé avec CuO fut utilisé comme composant actif principal. Ag2CO3 fut également étudié comme composant alternatif en raison de sa forte activité dans le domaine du visible. Ces photocatalyseurs furent testés pour la dégradation de polluants modèles anionique (orange G, OG) et cationique (rouge neutre, RN) en milieux aqueux, sous irradiation artificielle UV, Visible et Solaire, ainsi que sous ensoleillement naturel extérieur. Les caractérisations multi-échelles effectuées sur les différents photocatalyseurs développés ont essentiellement démontré : - L’immobilisation par sol-gel de nanoparticules (NPs) de TiO2 et CuO sur Pal avec formation d’hétérojonctions entre ces oxydes, produisant une activité photocatalytique sous UV avérée mais toutefois trop limitée ; - La formation par précipitation de nanocomposites à base de NPs Ag2CO3 déposées sur les fibres de Pal. Selon la durée de maintien des réactifs en digestion et un protocole de cycles thermiques couplés à du vieillissement sous atmosphère de CO2, il a été possible d’obtenir Ag2CO3 sous sa forme structurale métastable hexagonale (H) et stable monoclinique (m), ou de contrôler la proportion des 2 phases dans les composites Ag2CO3/Pal. Ces nouveaux photocatalyseurs sont actifs dans le visible et les nanocomposites biphasés H+m se sont avérés plus actifs que les monophasés. - L’élaboration par mécanosynthèse de TiO2 anatase supporté sur Pal et de TiO2 principalement anatase en coexistence remarquable avec une phase monoclinique métastable B dans le cas du dopage au soufre. TiO2-S est très actif dans le visible tandis que TiO2-Pal manifeste une activité sous UV en présentant l’avantage de pouvoir exploiter les propriétés de l’argile pour développer une multifonctionnalité (photocatalyse-adsorption). Ces photocatalyseurs sont actifs sous forme de poudres dispersés et de revêtements sous irradiation solaire. La cinétique de dégradation du polluant modèle a pu être modélisée. / This work reports the development of different photocatalysts using either wet route (sol-gel and precipitation methods) or dry route (mecanosynthesis followed by annealing). The photocatalysts are TiO2 (pure or doped with sulfur) nanoparticles (NPs), TiO2 coupled with CuO and Ag2CO3 supported on natural fibrous clay from Morocco called palygorskite (Pal). The degradation of model anionic dyes (orange G, OG) and cationic dyes (neutral red, NR) in aqueous solution were investigated under artificial radiation (UV and visible) and natural sunlight. The multi-scale chemical and structural characterization and the properties investigated on the different photocatalysts showed the following results: -Immobilization of both TiO2 and CuO NPs on palygorskite by sol-gel method. Despite the heterojunctions between these functional oxides the photocatalysts exhibit a limited activity under UV irradiation. - Elaboration of nanocomposites made of Ag2CO3 NPs deposited on Pal fibers using the precipitation method. Depending on the time of reactant digestion, the number of thermal cycles and the aging for several months, Ag2CO3 adopts remarkably, in these nanocomposites, the exclusive forms of metastable hexagonal structure (H), or the stable monoclinic one (m) or a mixture of both phases with different proportions depending on the mass ratio of Ag2CO3/Pal. All Ag2CO3-Pal nanocomposites are active in the visible range for the elimination of OG. The nanocomposites in the biphasic form H + m are more active than single phases samples either in the form H or m. - Preparation of anatase TiO2 supported on Pal and TiO2 as a mixture of mainly TiO2 anatase and a minority of a remarkable monoclinic phase B by a mechanical alloying method. The NPs surfaces of these photocatalysts are acidified by grafting the sulfate groups (SO42-) and the anionic network is lightly doped with substituting O2- by S2-. These specific characteristics have made TiO2-S very active in the visible for the degradation of OG, while TiO2-Pal composite exhibits an activity under UV. Both types of photocatalysts in the form of powders dispersed in the OG solutions have proved to be active under sunlight and as well in the form of coating. TiO2-Pal has showed allows the adsorption of cationic entities RN facilitating their subsequent photodegradation.

Durant cette thèse, des couches minces de fer, de fer-cuivre et de cuivre-zinc déposées par pulvérisation magnétron ont été oxydées par des post-décharges plasma pour synthétiser des nanostructures d’oxydes métalliques. L’oxydation par post-décharge permet un abaissement de la température par rapport à l’oxydation thermique dans la mesure où l’oxygène moléculaire est excité ou dissocié, ce qui fournit des espèces plus réactives comme l’oxygène singulet ou l’oxygène atomique. Cette oxydation à température modérée favorise une croissance anisotrope des cristaux. L’oxydation de couches minces de Fe-Cu a conduit à la croissance de nanolamelles de Fe2O3 et de nanoparois, nanotours et nanofils de CuO. La distribution surfacique de ces nanostructures dépend de la température d’oxydation, de la concentration des espèces réactives et de la composition initiale de la couche mince. L’oxydation de couches minces de Cu-Zn a conduit à la croissance de nanofils ultra-minces de ZnO dans lesquels un confinement quantique peut se produire. Les nanostructures obtenues ont été caractérisées par différentes techniques (microscopies électroniques, diffraction des rayons X et spectrométrie de masse des ions secondaires). Les mécanismes de croissance de ces nanostructures sont basés sur le rôle des contraintes, de la température, de la concentration des espèces réactives ainsi que sur l’influence de la taille des grains sous-jacents. Les nanostructures d’oxydes métalliques obtenues serviront comme photocatalyseurs pour produire de l’hydrogène par photolyse de l’eau. Par ailleurs, les nanofils ultra-minces de ZnO serviront de photocatalyseurs pour la purification de l’eau / In this manuscript, metallic oxide nanostructures were synthesized by the oxidation of iron, iron-copper and copper-zinc thin films by means of a plasma afterglow. Thin films were deposited by magnetron sputtering. The use of plasma afterglows allows a lowering of the temperature compared with the thermal oxidation conditions, given that molecular oxygen is excited or dissociated, which provides more reactive species such as singlet oxygen or atomic oxygen. This oxidation at moderate temperature promotes anisotropic crystal growth. The oxidation of iron–copper thin films leads to the synthesis of Fe2O3 nanoblades and CuO nanowalls, nanotowers and nanowires. The surface distribution of these nanostructures depends on the oxidation temperature, the concentration of the reactive species and the initial composition of the thin layers. The oxidation of copper-zinc thin films leads to the synthesis of ultra-thin ZnO nanowires in which quantum confinement could occur. As-grown nanostructures were characterized by various techniques (electron microscopy, X-ray diffraction and secondary ion mass spectrometry). The growth mechanisms described for these nanostructures relies on the role of stress, temperature, reactive species concentration and on the effect of underlying grain size. As-synthesized nanostructures will serve as photocatalysts to produce hydrogen by water splitting. In addition, ultra-thin ZnO nanowires will also serve as photocatalysts for water purification

La photosynthèse artificielle est considérée comme étant un atout capable de fournir des carburants alternatifs et renouvelables par conversion et stockage de l'énergie solaire. Une approche prometteuse consiste en un développement de photo-catalyseurs moléculaires inspirés par des enzymes photosynthétiques naturelles. La première partie de cette thèse concerne les modèles artificiels du photosystème II (qui catalyse l'oxydation d'eau), composé d'un chromophore et d’un relais d’électrons comme équivalent synthétique correspondant à l'ensemble P680-TyrZ/His190 du photosystème II. Trois complexes ruthénium polypyridyl - imidazole - phénol avec un groupe méthylique à différentes positions sur l'anneau phénolique (Ru-xMe) ont été synthétisés et caractérisés par des méthodes électrochimiques et photophysiques. L’augmentation, comparée aux complexes précédents, du potentiel redox des groupes phénols (0.20 V->0.9 V par rapport à l’électrode de ferrocène) rend leur fonction de relais d’électron dans un système photocatalytique pour l'oxydation d'eau thermodynamiquement possible. Des études d’absorption transitoire ont révélé que le transfert d’électron intramoléculaire est rapide (5-10 µs dans solvant aprotique et < 100 ns dans l'eau) malgré la faible force motrice, mettant en evidence l'importance de la liaison hydrogène entre le phénol et le groupe imidazole. Les légères différences entre les trois complexes Ru-xMe ainsi que l’étude de l'effet de bases externes nous ont permis d’établir un mécanisme dans laquelle l'imidazole est impliqué dans une réaction de transfert de proton en cascade. L'acceptation du proton phénolique durant l'oxydation du ligand rend son deuxième site azote plus acide et seulement la déprotonation de ce dernier bascule l’équilibre réactionnel complétement vers l'oxydation du ligand. La deuxième partie de cette thèse consiste en la synthèse d’un complexe chromophore-tryptophane en utilisant une approche de chimie dite « click ». On a montré que l'oxydation, induite par la lumière, du Trp au sein du complexe Ru-tryptophane suit un mécanisme ETPT. Selon le pH, les radicaux du tryptophane (Trp• ou TrpH•⁺) ont été détectés et les mesures spectrales à différents temps ont montrés la transition entre les deux formes radicalaires. La déprotonation du radical dépend de la concentration d'eau assurant la fonction d’accepteur de proton. La dernière partie de la thèse concerne nos efforts à lier, par une liaison covalente, une unité catalytique au module de chromophore- relais électronique caractérisé précédemment. L'approche de chimie « click » n’était pas efficace pour l’obtention de l’assemblage photocatalytique final. Donc, l'activation biomoléculaire d'un catalyseur Mn salen a été effectuée et la formation de l’espèce Mn(IV) a été observée. Etant une étape vers l'utilisation de ces types de photocatalyseurs dans une cellule photoélectrochimique, un chromophore [Ru(bpy)₃]²⁺ avec des groupes d’ancrage phosphonate a été synthétisé (Ru-phosphonate) et greffé sur la surface méso-poreuses d'un semi-conducteur de TiO₂ pour effectuer des mesures du photocourant. / Artificial photosynthesis is often considered to have great potential to provide alternative, renewable fuels by harvesting, conversion and storage of solar energy. One promising approach is the development of modular molecular photocatalysts inspired by natural photosynthetic enzymes. The first part of this thesis deals with artificial mimics of the water oxidizing photosystem II composed of a chromophore and an electron relay as synthetic counterpart of the P680-TyrZ/His190 ensemble of photosystem II. Three ruthenium polypyridyl – imidazole - phenol complexes with varying position of a methyl group on the phenol ring (Ru-xMe) were synthesized and characterized by electrochemical and photophysical methods. As an improvement compared to earlier complexes the increased redox potential (~0.9 V vs. Ferrocene) of the phenol groups makes their function as an electron relay in a photocatalytic system for water oxidation thermodynamically possible. Time-resolved absorption studies revealed fast intramolecular electron transfer (<5-10 µs in aprotic solvent and <100 ns in water) despite the low driving force and the importance of the hydrogen bond between the phenol and the imidazole group was put in evidence. Slight differences between the three Ru-xMe complexes and investigation of the effect of external bases allowed to derive a mechanistic picture in which the imidazole is involved in a “proton domino” reaction. Accepting the phenolic proton upon ligand oxidation (within the H-bond) renders its second nitrogen site more acidic and only deprotonation of this site pulls the overall equilibrium completely towards oxidation of the ligand. Another part of this thesis comprises a chromophore-tryptophan construct synthesized using a click chemistry approach. Light-induced oxidation of Trp in this Ru-tryptophan complex was shown to follow ETPT mechanism. Depending on the pH conditions tryptophan radicals, either Trp• or TrpH•⁺ were detected and spectral measurement at different time showed the transition between the two forms. Deprotonation of the radical was dependent on the concentration of water as proton acceptor. Later part of the thesis deals with efforts to covalently bind a catalytic unit to the previously characterized chromophore-electron relay module. The click chemistry approach was not successful to obtain the final photocatalytic assembly. Therefore bimolecular activation of a Mn salen catalyst was performed and formation of Mn(IV) species was observed. As a step towards utilization of these types of photocatalysts in a photoelectrochemical cell a [Ru(bpy)₃]²⁺ chromophore with phosphonate anchoring groups (Ru-Phosphonate) was synthesized and grafted on the surface of a TiO₂ mesoporous semiconductor surface anode to perform photocurrent measurements.