Films électrochromes d’oxyde de tungstène dopé au molybdène générés in situ sous conditions hydrothermales

Abstract

Dans le contexte actuel de transition énergétique, l’amélioration des matériaux de construction utilisés dans les habitations, immeubles et autres édifices commerciaux représente un domaine de recherche et de développement très important. Dans les bâtiments modernes comportant de nombreux éléments architecturaux vitrés, les technologies de vitrage conventionnelles démontrent un niveau de performance énergétique relativement limité, tant d’un point de vue du contrôle de la température et de la luminosité intérieure que des pertes énergétiques vers l’extérieur. Afin de surmonter ces limitations, de nouveaux vitrages dits « intelligents » (smart windows) sont développés dans le but d’obtenir de haut contrôle des apports de lumière et de chaleur en fonction des saisons, des conditions météorologiques et du confort de l’utilisateur. Ces technologies innovantes reposent sur la capacité de modulation des propriétés optiques des vitrages par le biais d’un stimulus (électrique, thermique …), et sont ainsi capables de réduire les coûts relatifs au chauffage, au refroidissement et à l’éclairage des bâtiments, offrant un bénéfice à la fois écologique et économique. Dans ce travail, nous étudions à cet égard l’efficacité d’oxydes métalliques inorganiques dits « électrochromes », dont les propriétés optiques peuvent être modifiées de manière réversible par l’application d’un faible potentiel électrique. Sur base de l’état de l’art et de la littérature récente, des formulations à base d’oxyde de tungstène (WO3) dopé au molybdène (Mo) sont ciblées pour atteindre des performances optimales en matière de contraste optique entre états clair et foncé, de cinétiques de commutation et de durabilité au cyclage. Des couches minces de WO3 dopé au Mo sont ainsi déposées sur des substrats de verre revêtus d'oxyde d'étain dopé au fluor (FTO) à partir d’un procédé de synthèse innovant, exploitant un protocole hydrothermal de croissance directe et « auto-alimentée » (« self-seeding ») des films à la surface des substrats. Cette technique de « self seeding » implique que la synthèse et le dépôt des cristaux à la surface du substrat prennent place de manière simultanée et en une seule étape au sein du réacteur hydrothermal. L’impact du taux de dopage en Mo (de 1 à 5% mol.) et de la présence de différents agents structurants ((NH4)2SO4) et additifs (NaNO3) sur les propriétés morphologiques, structurales, électrochimiques et optiques des films générés est spécifiquement étudié. Ainsi, les analyses de diffraction des rayons X révèlent que tous les films possèdent une phase hexagonale avec une proportion orthorhombique de WO3 qui augmente avec le taux de dopage. Les micrographies SEM montrent que la morphologie des films varie avec les taux de dopage au Mo, et que les films dopés au Mo à 5 % possèdent une morphologie plus prometteuse (particules de taille réduite, organisées en film poreux, permettant une surface spécifique élevée ainsi qu’une bonne pénétration des espèces ioniques en présence) pour obtenir des performances électrochromes améliorées. Enfin, des caractérisations électrochimiques de voltammétrie cyclique et de chronoampérométrie combinées à des mesures optiques montrent que les meilleures performances des films en matière de réversibilité, de cinétiques de transition et d'efficacité de coloration sont obtenues pour les films dopés à 5% en Mo et préparés avec NaNO3 comme additif. Concrètement, ces films font état d’un contraste optique de 40%, des cinétiques de coloration/décoloration rapides de 22 et 5 secondes, respectivement, et une efficacité de coloration de 21.3 cm2C-1. Au final, les résultats obtenus et présentés ici semblent prometteurs pour la mise au point de films électrochromes performants à base d’oxyde de tungstène dopé au molybdène, préparés par voie « self seeding » en conditions hydrothermales. Cette approche, permettant un gain de temps et une diminution des coûts matériels et énergétiques nécessaires à la fabrication des films, se révèle particulièrement propice à un approfondissement des caractérisations fondamentales des films générés. Elle est également attrayante dans l’optique de futurs développements visant une application industrielle des matériaux et des procédés pour la préparation de nouveaux « vitrages intelligents » électrochromes.