Processus clés de la photocatalyse à base de TiO2 : (1) génération de paires electron-trou e-/h+ par excitation par la lumière, (2) et (3) réactivités en surface gouvernées par les électrons et les trous.
Interface modèle dans un photocatalyseur graphène/TiO2 anatase (101) déficient en oxygène.
La photocatalyse utilise l’énergie solaire afin de réaliser des processus énergétiques et chimiques. C’est une technologie potentiellement respectueuse de l’environnement avec des applications variées dans les domaines des cellules solaires, du water splitting, de la dégradation des polluants environnementaux ou de la purification de l’eau et de l’air. En photocatalyse hétérogène, des semiconducteurs tels que TiO2 sont couramment utilisés comme photocatalyseurs. Après absorption de la lumière, le transfert d’électrons entre les bandes de valence et de conduction engendre des paires électron-trou permettant d’envisager des réactivités à la surface de l’oxyde gouvernées par les électrons et les trous. Avec une absorption faible de la lumière dans le visible cependant, le TiO2 stœchiométrique seul ne permet pas une commercialisation de photocatalyseurs actifs dans le visible sans modification de sa structure électronique par introduction de défauts ponctuels ou de dopants, ou par sensibilisation à l’aide de dérivés du graphène par exemple.
Nous utilisons la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) afin d’établir des protocoles de calcul de structure électronique en bases localisées, pour proposer des photocatalyseurs à base de TiO2 avec une réponse dans le domaine du visible. Pour cela, des calculs DFT hybride périodiques sont combinés à des techniques d’embedding électrostatique sur des modèles non périodiques afin de caractériser les propriétés structurales, électroniques et photophysiques de photocatalyseurs composites et de leurs constituants. Ce projet est soutenu par GENCI avec une allocation de 1,25 Mh sur le supercalculateur Joliot-Curie.