Étude de catalyseurs hydrosolubles pour la génération d’hydrogène vert par méthodes photocatalytiques

Abstract

La synthèse de l'hydrogène est une alternative viable à l'utilisation du pétrole. Les méthodes telles que l’électrocatalyse font appel à une source d’énergie primaire, ce qui favorise les déchets générés par ces méthodes, de même que le gaspillage d’énergie. Bien qu’ayant de très faibles rendements, les systèmes photocatalytiques permettent la synthèse d’un hydrogène propre et quasi sans déchets. Une perspective permettant d’améliorer encore leur potentiel serait d’éliminer les solvants organiques tels que le DMF, qui sont nocif pour l’environnement et la santé des êtres vivants. Étant donné que le solvant doit être changé, il faut prendre garde à modifier le donneur d’électron sacrificiel et le photosensibilisateur en conséquence. La production de tels solvants est également source de pollution, ce qui atténue le potentiel environnemental de ces méthodes. L’objectif de ce travail est de développer et de tester de nouveaux catalyseurs hydro-solubles variés permettant une amélioration des performances photo-catalytiques actuelles ainsi qu’une performance acceptable dans l’eau. L’étude des propriétés catalytiques est réalisée par l’étude de systèmes homogènes conjugués principalement avec le [Ru(bpy)3]2+ en tant que photosensibilisateur et avec le triethanolamine (dans le DMF) et l’acide ascorbique (dans l’eau) en tant que donneur d’électron sacrificiel. Les catalyseurs présentés lors de ce travail sont des catalyseurs à base de polypyridyl, de cobaloximes et de N-imidoylamidine. Les catalyseurs à base de poly-pyridyl ont d’abord été étudiés puisqu’ils sont réputés pour leur performance en milieux aqueux. La seconde approche consistait à produire des catalyseurs à base de cobaloxime qui aient une performance relativement constante tout d’abord dans les solvants organiques, puis d’adapter ces performances en milieu aqueux. La troisième approche a été de tester des catalyseurs à base de N-imidoylamidine, ce type de catalyseurs n’ayant jamais été testé pour la production d’hydrogène, puis d’en étudier les performances dans l’objectif de paver la voie pour de futures recherches sur le sujet.

The synthesis of hydrogen is a viable alternative to the use of petroleum. Methods such as electrocatalysis use a primary energy source, which reduces the waste generated by these methods, as well as the waste of energy. Although having very low yields, photocatalytic systems allow the synthesis of clean hydrogen with virtually no waste. One prospect to further improve their potential would be to eliminate organic solvents such as DMF, which are harmful to the environment and the health of living beings. Giving the fact that we change the solvent, we need to change the electron sacrificial donor and the photosensitizer as well. The production of such solvents is also a source of pollution, which reduces the environmental potential of these methods. The objective of this work is to develop and test various new water-soluble catalysts allowing an improvement of the current photo-catalytic performances as well as an acceptable performance in water. The study of the catalytic properties is carried out by the study of homogeneous conjugated systems mainly with [Ru(bpy)3]2+ as photosensitizer and with triethanolamine (in DMF) and ascorbic acid (in water) as a sacrificial electron donor. The catalysts presented during this work are catalysts based on polypyridyl, cobaloximes, and N-imidoylamidine. Poly-pyridyl-based catalysts were first studied because they are known for their performance in aqueous media. The second approach was to produce cobaloxime-based catalysts that had relatively constant performance first in organic solvents and then to match this performance in aqueous media. The third approach was to test catalysts based on N-imidoylamidine, as this type of catalyst have never been tested to produce hydrogen, then to study their performance to pave the way for future research on the subject.