Etude structurale de catalyseurs multifonctionnels à base d'alminophosphates dopés aux métaux

Abstract

Ce travail de thèse porte sur l’élaboration, la caractérisation et la valorisation de catalyseurs multifonctionnels à base d’aluminophosphates microporeux de type AFI (AlPO4-5) dopés. Ces matériaux ont été synthétisés par voie hydrothermale en variant la nature du dopant (Si, Fe, Bi) et la concentration du bismuth inséré. L’objectif est d’optimiser leurs propriétés structurales et électroniques pour améliorer leur activité photo-induite. Deux séries de matériaux ont été obtenues : (i) une série co-dopée Si, Fe et/ou Bi, comprenant le catalyseur BiFAPSO4-5 (avec différents taux de bismuth : BF1 avec 1% Bi, BF3 avec 3% Bi, et BF5 avec 5% Bi) et le matériaux BiSAPO4-5 sans fer, (ii) une série co-dopée Si et Fe (sans bismuth), de type FAPSO4-5 dont une moitié a été traitée par ultrason (UFS2) et l’autre moitié conservée standard (FS2). Une caractérisation approfondie a été menée à l’aide d’un ensemble de techniques standards et avancées : analyse thermogravimétrique (ATG), diffraction des rayons X (DRX), microscopie électronique à balayage couplée à l’analyse EDX (MEB-EDX), analyse texturale par physisorption de l’azote (BET), spectroscopie de fluorescence X (FRX), spectroscopie de photoélectrons X (XPS), spectroscopie UV-Visible en réflexion diffuse (DRS), ainsi que les spectroscopies Mössbauer du 57Fe, de résonance paramagnétique électronique (RPE) et de résonance magnétique nucléaire en rotation à l’angle magique (RMN-MAS). L'efficacité des catalyseurs a été évaluée dans la réaction de photo-réduction de l'eau sous irradiation visible pour la production d'hydrogène. Des tests photocatalytiques, complétés par des mesures photo-électrochimiques (voltamétrie cyclique, Mott-Schottky, spectroscopie d'impédance photoélectrochimique) ont permis de déterminer et de comparer les paramètres énergétiques clés (positions des bandes d’énergie, densité des porteurs de charge, résistances d’interface) et d'établir une corrélation entre les performances photocatalytiques et la structure électronique des matériaux. En parallèle, une étude théorique basée sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) a été menée afin de modéliser l'impact du dopage sur le réseau cristallin de AlPO4-5 et d'élucider les modifications électroniques associées. Cette approche, combinant expérimentation et modélisation, a permis de mieux comprendre les mécanismes reliant les propriétés structurales à la réactivité photocatalytique, ouvrant ainsi des perspectives pour la conception rationnelle de nouveaux matériaux dédiés à la production d'hydrogène vert.