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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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Caractéristiques du photocatalyseur le plus utilisé : le dioxyde de titane
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1. Principe de la photocatalyse
1.1 Définition
Éthymologiquement, le terme photocatalyse est issu de trois mots grecs : phôtos (lumière), kata (vers le bas ou l'arrière) et lysis (dissolution ou décomposition).
La photocatalyse est donc l'action d'une substance nommée « photocatalyseur » qui augmente, sous l'action de la lumière, la vitesse d'une réaction chimique thermodynamiquement possible sans intervenir dans l'équation bilan de la réaction.
De nos jours, le terme « photocatalyse » se réfère plus spécifiquement à la « photocatalyse hétérogène » dans laquelle le photocatalyseur est un semi-conducteur (le plus souvent le dioxyde de titane, TiO2), et non une molécule ou un complexe métallique de transition.
HAUT DE PAGE1.2 Fonctionnement
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En quelques mots : en utilisant l'énergie lumineuse, l'eau et l'oxygène de l'air, les photocatalyseurs engendrent, par oxydo-réduction photo-induite, la formation de molécules très réactives (en général des radicaux libres), capables de décomposer certaines substances, organiques et inorganiques parfois nocives, présentes dans divers milieux (air, eau, surfaces) en composés inoffensifs.
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Plus scientifiquement, la photocatalyse repose sur l'absorption, par un photocatalyseur généralement semi-conducteur (Sc), d'une radiation lumineuse d'énergie supérieure ou égale à l'énergie (E g) de sa bande interdite (différence d'énergie entre la bande de valence (BV ou dernière bande totalement ou partiellement occupée par des électrons dans la théorie des bandes) et la bande de conduction (BC ou première bande non occupée par des électrons) [A 245]). Cette absorption d'énergie entraîne le passage d'électrons de la bande de valence dans la bande de conduction (1) créant des lacunes électroniques, communément appelées « trous » (ou « holes », h+) dans la bande de valence.
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Principe de la photocatalyse
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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