Développement par procédé plasma de couches minces de type TiO2 dopé à l'azote pour la production d'hydrogène par photo-électrolyse de l'eau sous lumière solaire

Le couplage direct de la separation et de la photo-catalyse en utilisant des membranes a base de dioxyde de titane, est une approche interessante habituellement appliquee dans les dispositifs de traitement de l'eau, et recemment envisagee pour d’autres applications, telle que la production d’hydrogene par photo-electrolyse de l’eau. En effet, le dioxyde de titane (TiO2) est bien connu pour ses proprietes photo-catalytiques. En outre, s’il est immobilise sur support membranaire plutot qu’utilise en suspension, son integration en procede de separation est facilitee, sans compter les gains apportes au procede en termes de compacite, d’integrite et de capacite separative. Pour une telle application, des cellules originales sous forme de multicouches sont requises. Certains systemes sont decrits dans la litterature mais aucun d’entre eux n’est reellement integre (c’est-a-dire base sur une geometrie de type multicouche micro-architecturee), ni forme de couches minces obtenus par procedes plasma. Or les procedes plasma sont generalement competitifs pour l’obtention de systemes multicouches de hautes integrite et compacite. Dans le cadre de recents travaux menes a l’IEM, differents types de couches minces ont ete prepares par PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), a savoir des films de TiO2 connus pour leurs proprietes photo-catalytiques et des membranes phosphoniques de conduction protonique averee. En outre, des films minces de platine efficaces pour la reduction catalytique des protons en hydrogene peuvent etre egalement deposes par un autre procede plasma, la pulverisation cathodique. Au cours de ce travail de these, des films de TiO2 obtenus par PECVD Basse Frequence sont optimises en termes d’activite photo-catalytique et de proprietes separatives; cette optimisation, qui concerne le dopage a l’azote du TiO2 (permettant le deplacement de la bande interdite de la region UV vers la region visible), est le premier objectif de ce projet de these. Les films minces sont caracterises du point de vue de leurs proprietes structurales et fonctionnelles. Le second objectif de la these est de montrer l’interet de ces films de TiO2 dans la production/separation d’hydrogene par voie solaire. Dans ce but, la photo-activite des films dans le noir, sous UV et sous visible est etudiee dans une cellule mono-compartiment ou les deux electrodes baignent dans un electrolyte liquide. Des etudes electrochimiques plus poussees en presence d’une membrane electrolyte commerciale et d’une cathode de platine (dont les caracterisations en propre sont portees en annexes de ce travail), sont aussi abordees. Le dernier objectif de cette these est le transfert de la technologie des procedes plasma de l’Institut Europeen des Membranes de l’Universite de Montpellier vers le Laboratoire Chimie-Physique des Materiaux de l’Universite Libanaise. Les details de l’installation du reacteur au Liban font l’objet du dernier chapitre de la these ainsi que les resultats des premiers tests de depot sur la base de conditions operatoires precedemment optimisees a l’Institut Europeen des Membranes.