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RÉSUMÉ
La photocatalyse est une technologie d'oxydation avancée, qui repose sur l'activation d'un semi-conducteur par la lumière. Les matériaux susceptibles de provoquer ces réactions sont souvent à base de dioxyde de titane. Après avoir exposé le principe de la photocatalyse, une présentation détaillée des applications environnementales est conduite. Celles pour le traitement de l’eau couvrent les polluants inorganiques et organiques. La désinfection par photocatalyse est un domaine très exploré, même si la compréhension des mécanismes d'action contre les micro-organismes doit être approfondie. Les applications pour le traitement de l'air concernent l'élimination des oxydes d'azote et le traitement des composés organiques volatils pour l'air intérieur. Enfin, les propriétés autonettoyantes de surface recouvertes de dioxyde de titane sont rappelées.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Chantal GUILLARD : Directrice de recherches CNRS - IRCELYON, UMR CNRS 5256, université de Lyon, France
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Benoit KARTHEUSER : Chef de projet - CERTECH asbl, SENEFFE, Belgique
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Sylvie LACOMBE : Directrice de recherches CNRS - IPREM, UMR CNRS 5254, université de Pau et Pays de l'Adour, France
INTRODUCTION
La photocatalyse est une technologie d'oxydation avancée émergente qui trouve de nombreux domaines d'application, en particulier au Japon. La plupart d'entre eux utilisent des matériaux à base de dioxyde de titane (TiO2). Dans le présent article nous ne présentons que les applications environnementales de ces matériaux pour la purification de l'air ou de l'eau ou pour les applications autonettoyantes. Les applications dans le domaine de l'énergie par des systèmes capables de stocker l'énergie solaire, telles que les cellules solaires (cellules photovoltaiques sensibilisées par des colorants pour la production d'électricité ou DSSC [D 3935] [ BE 8579] [ BE 8578]) et la production d'hydrogène par scission photocatalytique de l'eau (fuel cells [BE 8565]), ne seront pas abordées, de même que les propriétés photo- ou électrochromes ou de capteurs [P 4031 ] [R 2385].
Le principe de la photocatalyse repose sur l'activation d'un semi-conducteur par la lumière, et les données énergétiques et thermodynamiques qui régissent les réactions d'oxydo-réduction photo-induites sont précisées. Les propriétés de différents semi-conducteurs susceptibles d'induire des réactions photocatalytiques sont évoquées, avant de décrire de façon plus approfondie celles du dioxyde de titane. Les applications pour le traitement de l'eau, bien que moins développées que pour le traitement de l'air, couvrent les polluants inorganiques et organiques. La désinfection (de l'eau ou de l'air) par photocatalyse (élimination de micro-organismes tels que bactéries, virus, champignons) est un domaine très exploré dans de nombreux laboratoires de recherche, même si la compréhension des mécanismes d'action contre les micro-organismes doit encore être approfondie. Les principales applications pour le traitement de l'air concernent l'élimination des oxydes d'azote NOx en extérieur par des matériaux photocatalytiques de type béton, ciments, céramiques et peintures, et le traitement des COV pour l'air intérieur avec des dispositifs actifs (ventilateurs photocatalytiques, traitement de l'air conditionné) ou passifs (revêtements, peintures, carrelages… photocatalytiques). Enfin, l'origine des propriétés autonettoyantes de surface recouvertes de dioxyde de titane est rappelée, et les différents domaines d'application de ces matériaux résumés.
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Applications pour le traitement de l'eau
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2. Caractéristiques du photocatalyseur le plus utilisé : le dioxyde de titane
À l'heure actuelle, la plupart des applications utilisent le dioxyde de titane comme semi-conducteur et on peut considérer que le domaine spectral concerné par la photocatalyse est majoritairement l'UV (λ < 384 nm) et une petite partie du visible (380 à 400 nm) (3) : le dioxyde de titane de structure anatase, catalyseur le plus utilisé en photocatalyse, absorbe environ 4 % des photons solaires. Cependant, comme on le verra au § 6, les recherches actuelles ont pour objectif de développer des catalyseurs actifs à des longueurs d'onde supérieures à 400 nm afin d'utiliser un nombre plus important de photons situés dans le visible.
2.1 Formes cristallines et photoactivité
Deux des facteurs importants qui affectent l'activité photocatalytique de TiO2 sont sa surface spécifique et sa cristallinité. Le dioxyde de titane existe sous trois formes cristallines ou polymorphes : rutile (R), anatase (A) et brookite (B). Chaque phase présente des propriétés physiques et chimiques différentes. La phase rutile est thermodynamiquement la plus stable en matériau massique. Cependant les préparations en solution favorisent la formation de la forme anatase, la plus largement utilisée. La forme rutile (qui présente un saut énergétique E g plus faible permettant d'absorber la lumière dans le début du spectre visible, 2) est notablement moins active. La composition commerciale la plus efficace actuellement pour de nombreuses applications en dépollution est l'AEROXIDE TiO2 P25 ® (80 % anatase, 20 % rutile) proposée par EVONIK. La phase brookite a été nettement moins étudiée, car il est plus difficile d'obtenir une phase pure, mais des travaux récents font état d'une excellente réactivité photocatalytique ...
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BIBLIOGRAPHIE
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(2) - ISMAIL (A.), KANDIEL (T.), BAHNEMANN (D.) - Novel (and better?) titania-based photocatalysts : Brookite nanorods and mesoporous structures. - J. Photochem. Photobiol. A : Chem., 216, 183-193 (2010).
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(5) - KLAVARIOTI (M.), MANTZAVINOS (D.), KASSINOS (D.) - Removal of residual pharmaceuticals from aqueous systems by advanced oxidation processes. - Environ. Int., 35, 402-417 (2009).
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
KINGSLEY (M.), DAVIDSON (J.) - * - Gaseous indoor pollutants, http://www.me.umn.edu/courses/me5115/notes/ClassChemicals.pdf
MOSQUERON (L.), NEDELLEC (V.) - * - Inventaire des données françaises sur la qualité de l'air à l'intérieur des bâtiments, Observatoire de la qualité de l'air intérieur, décembre 2001, http://www.air-interieur.org
HAUT DE PAGE
Journées européennes de la photocatalyse, JEP2009, Bordeaux,
http://www.photocatalysis-federation.eu/consult-the-archives.html
Journées européennes de la photocatalyse, JEP2011, Bordeaux,
http://www.photocatalysis-federation.eu/jep2011/
HAUT DE PAGE
AFNOR Méthode d'essai pour l'évaluation des matériaux photocatalytiques vis à vis de la dégradation des NOx...
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