Добірка наукової літератури з теми "Photocatalyseur hétérostructuré"

Les photocatalyseurs à base de TiO2 ont été l’objet d’une grande attention comme une méthode durable de purification de l’air ou de l’eau, et de production d’hydrogène par décomposition de l’eau. Une stratégie avantageuse consiste à développer des héterostructures par couplage avec un autre oxyde métallique former une jonction de type Schottky ou avec un autre oxyde métallique pour créer une jonction p-n à l’interface de manière à prévenir les recombinaisons via une séparation de charge « vectorielle » à ces jonctions. De plus, les facettes cristallines jouent un rôle crucial dans le piégeage des porteurs de charge et, donc,dans les réactions rédox photoactivées. Ainsi, le dépôt sélectif de métal ou d’oxyde métallique sur des facettes spécifiques de nanocristaux de TiO2 devrait augmenter l’activité photocatalytique par l’amélioration de la séparation des charges. Dans ce travail, nous avons combiné l’emploi du cocatalyseur de type p NiO pour former des jonctions p-n avec son dépôt sélectif sur des nanocristaux de TiO2 anatase exposant des facettes bien définies. Par ailleurs, des expériences modèles de physique de surface ont été menées pour étudier les propriétés électroniques de ces hétérojonctions
TiO2 photocatalysts have attracted attention as a sustainable method for water/air purification and hydrogen production by water splitting. An advantageous strategy is the development of heterostructures by coupling metal oxides to create a p-n junction at their interface in order to prevent there combination by vectorial charge carrier separation at these energy junctions. In addition, crystal facets play a decisive role in the trapping of charge carriers and thus photocatalytic redox reactions. Thus, selective deposition of metal or metal oxides onto specific facets would enhance the photocatalytic activity by improving charge separation. In this work, we have combined the usage of p-type NiO co-catalyst to form p-n junction with its selective deposition onto the specific facet of oriented TiO2nanocrystal photocatalysts. Furthermore, the physical model experiments have been performed to investigate the electronic properties of these heterojunctions

L’hydrogène est un vecteur énergétique d’avenir en remplacement des hydrocarbures fossiles, à condition d’avoir une production majoritairement décarbonée. L’une des solutions les plus prometteuses pour générer l’hydrogène propre et durable est la décomposition photochimique de l’eau à partir de l’énergie solaire. Dans ce contexte, cette thèse porte sur l’élaboration et l’optimisation d’un photocatalyseur stable et composé d’éléments abondants. LaFeO₃ est un matériau pérovskite semi-conducteur présentant une excellente stabilité chimique et qui absorbe une large part visible du spectre solaire, mais ses propriétés photocatalytiques sont limitées par un faible transport des électrons. Pour améliorer son activité, une hétérostructure associant LaFeO₃ à g-C₃N₄ a été formée. g-C₃N₄ est un semi-conducteur organique 2D avec des propriétés optiques, structurelles et électroniques exceptionnelles. Leur association a permis d’augmenter significativement l’activité photocatalytique par une amélioration de la séparation et du transfert des porteurs de charge. Deux méthodes de production de H₂ ont été étudiées : par photocatalyse (PC) et photoélectrocatalyse (PEC). Les photoélectrodes du dispositif PEC ont été élaborées par pulvérisation cathodique magnétron et les nanoparticules dispersées en solution du dispositif PC ont été synthétisées par voie sol-gel. L’insertion d’une couche de g-C₃N4, déposée par spin-coating, sous le film de LaFeO₃ a permis pour la première fois de former cette hétérojonction en films minces, tandis que l’association par sonication des particules de LaFeO₃ et g-C₃N₄ a permis la création de l’hétérojonction en photocatalyseurs dispersés. L’influence de la composition des photoélectrodes a également été étudiée dans le cas de films non-stœchiométriques et par insertion d’éléments métalliques additionnels
Hydrogen is a promising energy carrier for replacing fossil fuels, under the conduction of having a mainly low carbon production. One of the most promising solution to generate clean and durable hydrogen is water splitting from solar energy. This manuscript focuses on the development and optimization of an abundant and stable photocatalyst. LaFeO₃ is a perovskite semi-conductor material showing and excellent chemical stability and that absorbs a large part in the visible spectra, although a low electron transfer limits its photocatalytic properties. To improve its activity, a heterostructure associating LaFeO₃ with g-C₃N₄ was realised. g-C₃N₄ is an organic semi-conductor with outstanding optical, structural, and electronic properties. Their association led to a significant increase in the photocatalytic activity by an increase in the separation and transfer of charge carriers. Two methods for H₂ production were studied: photocalysis (PC) and photoelectrocatalysis (PEC). Photoelectrodes of PEC dispositive were elaborated by magnetron sputtering and nanoparticles dispersed in solution of PC dispositive were synthesised using sol-gel. The insertion of a layer of g-C₃N₄, deposited by spin coating, below the LaFeO₃ films allowed for the first time to prepare this heterojunction using thin films, while the sonication of particles of LaFeO₃ and g-C₃N₄ allowed creating a heterojunction of dispersed photocatalysts. The impact of the composition of photoelectrodes was also studied for non-stoichiometric films and by inserting additional metallic elements

La croissance rapide de la population ainsi que l'industrialisation ont suscité des inquiétudes majeures quant à la disponibilité de l'énergie et à la pollution de l'environnement. La résolution de ces problèmes est au cœur de nombreuses recherches à l'échelle mondiale. L'énergie solaire, en tant que source d'énergie propre et pratiquement inépuisable, devrait être efficacement exploitée, notamment via des processus photocatalytiques, pour améliorer la dépollution environnementale. Les nanomatériaux hybrides, tels que ZnO/métal noble et ZnO/oxydes métalliques, se positionnent comme des candidats prometteurs pour atteindre ces objectifs car ils absorbent efficacement la lumière visible et permettent une séparation efficace des porteurs de charge. Ce mémoire est consacré au développement de nouveaux photocatalyseurs hétérostructurés pour la dégradation des polluants organiques. L'étude a exploré deux voies novatrices de synthèse de ZnO associé soit à des nanoparticules d'argent métallique soit à des oxydes de cuivre. Dans la première partie de cette mémoire, un procédé a été développé pour préparer des particules de ZnO d'environ 87 nm associées à des nanoparticules d'argent d'une taille moyenne de 2.7 nm. Cette stratégie met en œuvre la synthèse d'hydroxydes doubles lamellaires de zinc dopés à l'argent, suivie de la photodéposition des ions Ag+ en Ag(0), et enfin, la conversion par thermolyse de l'hydroxyde double lamellaire en oxyde de zinc. Dans la deuxième partie de la thèse, la photodéposition de nanoparticules de CuO-Cu₂O à la surface de ZnO a permis le développement d’hétérostructures avec une jonction p-n entre CuO-Cu₂O et ZnO. Les nouvelles méthodes de synthèse de catalyseurs hétérostructurés développées dans le cadre de cette thèse ont permis le développement de matériaux photocatalytiquement actifs pour la dégradation de polluants persistants en milieux aqueux. En termes de stabilité, ces catalyseurs peuvent être utilisés sur plusieurs cycles de dégradation sans perte notable d'efficacité. Le projet comporte également l'étude des différents paramètres expérimentaux afin d'optimiser les propriétés structurales, électroniques, optiques et photocatalytiques de ces matériaux
The fast growth of the population and industrialization have produced major concerns regarding energy availability and environmental pollution. Addressing these issues is at the forefront of global research. Solar energy, as a clean and almost infinite source, can be effectively harnessed through photocatalytic processes to contribute to environmental remediation. Hybrid nanomaterials, such as ZnO/noble metal and ZnO/metal oxides, emerge as promising candidates to achieve these goals due to their enhanced light absorption capability and excellent charge carrier separation. This thesis is dedicated to the development of new hybrid photocatalysts designed for the degradation of organic pollutants. The study explores two innovative synthesis pathways of ZnO, combined with photodeposited nanoparticles of metallic silver or copper oxide, onto ZnO. In the first part of the study, a solvothermal method was developed to prepare ZnO particles of approximately 87 nm associated with silver nanoparticles with an average size of 2.7 nm. This strategy involves the synthesis of silver-doped zinc double-layered hydroxides, followed by the photodeposition of Ag+ ions into Ag(0), and ultimately, the conversion through thermolysis of the double-layered hydroxide into ZnO. In the second part, the preparation via an environmentally friendly and easy photodeposition method was used to create heterostructured photocatalysts featuring a p-n junction between CuO-Cu₂O and ZnO. The novel synthesis methods for ZnO-based heterostructured catalysts developed in the framework of this thesis have led to the creation of nanohybrid materials exhibiting high efficiency in degrading persistent pollutants in aqueous environments. In terms of stability, these hybrid photocatalysts can be used over multiple degradation cycles without a significant loss of effectiveness. The project also involves the study of various experimental parameters to optimize the structural, electronic, and optical properties of the photocatalysts

L’anatase TiO2 est un des semi-conducteurs les plus étudiés pour la photocatalyse et les DSSC. De nombreux travaux rapportent la synthèse originale de nanoparticules et leur activité pour une application choisie. Les différences de protocoles ne permettent pas une complète compréhension du lien morphologie-propriétés. La synthèse de nanoparticules d’anatase pure, de taille et morphologies contrôlées, est réalisée par le procédé sol-gel, notamment grâce à l’adsorption de molécules organiques et au chauffage micro-ondes. La dégradation photocatalytique de polluants ainsi que l’activité en DSSC diffèrent fortement avec la morphologie. Pour pouvoir l’expliquer, notre étude s’appuie sur des techniques expérimentales (HRMET, DRX, FT-IR, RPE, TRMC, adsorption de molécules…) et théoriques (DFT, MUSIC). La complémentarité des méthodes apporte des connaissances sur la surface, en particulier sur les faces cristallographiques exposées et sur l’acidité, qui peuvent expliquer les différences d’activité observées. La synthèse d’hétérostructures Au/TiO2 à partir des morphologies d’anatase permet d’exploiter les propriétés catalytiques de l’or ou d’améliorer l’activité photocatalytique du TiO2. L’étude DFT de l’interface organique/inorganique sur des clusters d’or apporte des informations nécessaires pour la synthèse d’organisations complexes (particules Janus). Décrites à travers 6 articles choisis (3 supplémentaires en annexe), l’étude expérimentale et théorique combinées de nanoparticules d’anatase et or apporte une meilleure compréhension du lien surface-propriétés. La méthodologie proposée peut être adaptée à l’étude d’autres matériaux ou propriétés engageant la surface des particules
TiO2 anatase is one of the most studied semi-conductors for its activity in photocatalysis and DSSC. A lot of works report a novel anatase nanoparticles synthesis and their activity for a given application. Yet, the differences in procedures do not allow a good understanding of the interplay morphology-photoelectronic activity. Pure anatase nanoparticles syntheses, with tuned size and morphology, have been achieved with the sol-gel method, especially by using the adsorption of organic molecules and the microwaves heating. The photocatalytic degradation of pollutants and the activity in DSSC both strongly depend on the nanoparticle morphology. Both experimental (HRTEM, XRD, FT-IR, EPR, TRMC, molecules adsorption…) and theoretical methods (DFT, MUSIC) have been used to explain these differences. Au/TiO2 heterostructures syntheses from anatase morphologies allow to use either the catalytic activity of supported gold or to improve the photocatalytic effiency of TiO2. A DFT study of the organic/inorganic interface on gold clusters brings needed information for the synthesis of more complex structures (Janus particles). Through 6 chosen publications (and 3 supplementary publications), the experimental and theoretical combined approach of anatase and gold nanoparticles allow a better understanding of the surface-properties interplay. The proposed methodology can be adapted for studying different materials or surface properties

L'objectif de ce travail est d'améliorer les performances photocatalytiques de deux oxydes mixtes de bismuth, Bi2WO6 et BiOBr, présentant une activité sous lumière visible. Leurs activités photocatalytiques sont en effet majoritairement limitées par un taux de recombinaison des charges photoinduites élevé. Deux stratégies différentes ont été respectivement appliquées pour chaque matériau. La première consiste à former une hétérostructure entre Bi2WO6 et un métal noble, le platine, pour assurer une séparation efficace des charges. La seconde consiste à réduire la taille des particules de BiOBr afin d'augmenter la surface spécifique et de diminuer le parcours moyen des charges jusqu'à la surface du photocatalyseur. Les synthèses ont été réalisées par chimie douce. La répartition et la quantité de platine déposé sur Bi2WO6 a ainsi pu être modulée et des particules de BiOBr sous forme de microfleurs ou de plaquettes de différentes tailles ont été obtenues. La dégradation de la rhodamine B en solution sous irradiation bleue a permis d'évaluer les propriétés photocatalytiques des matériaux. La dégradation de molécules non photosensibles a également été réalisée afin de confirmer l'activité photocatalytique observée. Dans le but d'évaluer la potentialité de Bi2WO6 et BiOBr pour la purification de l'air intérieur, des tests de dégradation photocatalytique de polluants modèles gazeux ont été effectués. L'ensemble de ces tests ont mis en évidence les relations entre les paramètres physico-chimiques des matériaux et leurs performances photocatalytiques et ont souligné les potentialités et les limitations de Bi2WO6 et BiOBr pour la dépollution de l'air et de l'eau
The aim of this work is to improve photocatalytic performance of two mixed bismuth oxides, Bi2WO6 and BiOBr, which have an activity within visible range of the electromagnetic spectrum. Two different strategies have been developed for each material. First one consists in designing a heterostructure between Bi2WO6 and a noble metal, platinum, which ensures an efficient charge separation at the interface. Second one aims at lowering BiOBr particle’s size in order to boost specific surface and shrink mean free path of charges to the surface of the photocatalyst. Syntheses of the materials were carried out using soft chemistry method. Platinum particle distribution and quantity on Bi2WO6 were thus successfully tuned and BiOBr microspheres or plates with different size were obtained. Photocatalytic properties of our materials were characterized by rhodamine B degradation in solution under blue light (λ = 445 nm). Degradation test of non-photosensitive compounds were also performed to show their photocatalytic activity. In order to evaluate Bi2WO6 and BiOBr potential in purifying indoor air photocatalytic degradation tests of model gaseous pollutant were performed. All these photocatalytic tests highlight the relationship between physicochemical and photocatalytic properties of the materials. They also enable us to determine the potentials and limitations of Bi2WO6 and BiOBr as photocatalysts for water and air depollution

L'objectif de ce travail est d'améliorer les performances photocatalytiques de deux oxydes mixtes de bismuth, Bi2WO6 et BiOBr, présentant une activité sous lumière visible. Leurs activités photocatalytiques sont en effet majoritairement limitées par un taux de recombinaison des charges photoinduites élevé. Deux stratégies différentes ont été respectivement appliquées pour chaque matériau. La première consiste à former une hétérostructure entre Bi2WO6 et un métal noble, le platine, pour assurer une séparation efficace des charges. La seconde consiste à réduire la taille des particules de BiOBr afin d'augmenter la surface spécifique et de diminuer le parcours moyen des charges jusqu'à la surface du photocatalyseur. Les synthèses ont été réalisées par chimie douce. La répartition et la quantité de platine déposé sur Bi2WO6 a ainsi pu être modulée et des particules de BiOBr sous forme de microfleurs ou de plaquettes de différentes tailles ont été obtenues. La dégradation de la rhodamine B en solution sous irradiation bleue a permis d'évaluer les propriétés photocatalytiques des matériaux. La dégradation de molécules non photosensibles a également été réalisée afin de confirmer l'activité photocatalytique observée. Dans le but d'évaluer la potentialité de Bi2WO6 et BiOBr pour la purification de l'air intérieur, des tests de dégradation photocatalytique de polluants modèles gazeux ont été effectués. L'ensemble de ces tests ont mis en évidence les relations entre les paramètres physico-chimiques des matériaux et leurs performances photocatalytiques et ont souligné les potentialités et les limitations de Bi2WO6 et BiOBr pour la dépollution de l'air et de l'eau
The aim of this work is to improve photocatalytic performance of two mixed bismuth oxides, Bi2WO6 and BiOBr, which have an activity within visible range of the electromagnetic spectrum. Two different strategies have been developed for each material. First one consists in designing a heterostructure between Bi2WO6 and a noble metal, platinum, which ensures an efficient charge separation at the interface. Second one aims at lowering BiOBr particle’s size in order to boost specific surface and shrink mean free path of charges to the surface of the photocatalyst. Syntheses of the materials were carried out using soft chemistry method. Platinum particle distribution and quantity on Bi2WO6 were thus successfully tuned and BiOBr microspheres or plates with different size were obtained. Photocatalytic properties of our materials were characterized by rhodamine B degradation in solution under blue light (λ = 445 nm). Degradation test of non-photosensitive compounds were also performed to show their photocatalytic activity. In order to evaluate Bi2WO6 and BiOBr potential in purifying indoor air photocatalytic degradation tests of model gaseous pollutant were performed. All these photocatalytic tests highlight the relationship between physicochemical and photocatalytic properties of the materials. They also enable us to determine the potentials and limitations of Bi2WO6 and BiOBr as photocatalysts for water and air depollution

La dépollution de l'eau est un des enjeux majeurs du XXIème siècle. Si différentes techniques de retraitement existent déjà, nous investiguons une nouvelle méthode associant les propriétés des membranes filtrantes à celles des matériaux photocatalytiques. Ainsi, nous avons étudié la croissance et l'activité photocatalytique de structures de type noyau/coquille de ZnO/SnO2 intégrées dans des membranes méso-poreuses (alumine poreuse) et macro-poreuses (fibres de verre). L'activité photocatalytique de ces matériaux a été évaluée sur des polluants modèles tels que le bleu de méthylène ou l'acide salicylique, mais aussi sur des polluants organiques identifiés dans les eaux de la rivière luxembourgeoise Alzette. L'impact environnemental des matériaux développés a été déterminé grâce a des analyses de cytotoxicité sur des cellules colorectales de type Caco-2, ainsi que sur des bactéries marines de type Vibrio Fischeri
Water treatment is one of the main challenge to overcome on the XXIst century. If many different techniques already exist, we investigate a new process associating the properties of porous membranes and photocatalytic materials. Thus, we studied the growth and photoactivity of core/shell structures of ZnO/SnO2 integrated into mesoporous (AAO) and macro-porous (glass fiber) membranes . The photocatalytic activity of these materials has been evaluated on organic pollutants like methylene blue or salicylic acid, but also on molecules found in the Luxembourgish Alzette river. The environmental impact of the synthesized structures has been determined with cytotoxic analyses on Caco-2 cells and Vibrio Fischeri bacteria

L'utilisation de couches minces photocatalytiques à base de TiO2 est restreinte aux applications en extérieur ou sous lumière artificielle. En effet, ces systèmes nécessitent des UV pour être actif. Pour s'affranchir de ce point, plusieurs axes de travail ont été étudiés. Le premier consiste à utiliser un matériau différent de TiO2, absorbant dans le visible et ayant une activité significative. Nous avons pour cela développé un procédé de broyage original permettant d'étudier des poudres synthétisées sous forme micronique, dans des conditions semblables aux systèmes de référence. Une autre voie est de doper TiO2 avec de l'azote, de façon à modifier son spectre d'absorption dans le visible. Pour cela, nous avons mis au point un protocole permettant d'une part de nitrurer des nanoparticules à haute température (jusqu'à 900 °C) en conservant leur taille, ou d'autre part de nitrurer directement les couches à base de TiO2. Nous avons étudié les espèces apparues lors de la nitruration, leur impact sur l'activité des systèmes photocatalytiques à 390 nm. Nous avons alors pu mettre au point des couches 20 fois plus actives que les films de référence à cette longueur d'onde. Le dernier axe abordé consiste à associer TiO2 à un matériau absorbant dans le visible, et capable de transférer son excitation dans TiO2 : WO3. Ceci a nécessité l'étude des transferts électroniques entre les deux matériaux, par le biais d'une technique originale de voltamétrie. Nous avons alors pu utiliser ces mesures pour prédire les activités photocatalytiques. Cette méthode pourra être utilisée pour étudier d'autres hétérostructures, pouvant se montrer beaucoup plus actives.