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RÉSUMÉ
La photocatalyse connaît un essor considérable du fait de ses nombreuses applications dans le domaine environnemental. Le développement de photocatalyseurs stables et actifs sous irradiation solaire est un défi important. Le dioxyde de titane (TiO2) est un semi-conducteur largement employé. Dans cet article, seront en particulier abordées les possibilités d'extension de son domaine d'activité dans le visible, ainsi que l'importance de sa nanostructuration dans les processus catalytiques. D'autres matériaux photocatalytiques seront ensuite décrits, ainsi que la possibilité d'insertion de ces matériaux dans des réacteurs en vue d'applications à l'échelle industrielle.
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Photocatalysis has attracted much interest because of its many applications in environmental protection. The development of stable photocatalysts with activity under solar irradiation is a major challenge. Titanium dioxide (TiO2) is a widely used semi-conductor. In this article, the possibilities of extending its scope in the visible domain and the importance of its nanostructuring are emphasized. Other photocatalytic materials, and the possibility of inserting them in reactors for applications at industrial scale, are also presented.
Auteur(s)
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Delphine SCHAMING : Maître de conférences - Laboratoire ITODYS, UMR 7086 CNRS, université Paris Diderot – université Sorbonne Paris Cité, Paris, France
-
Christophe COLBEAU-JUSTIN : Professeur des universités - Laboratoire de Chimie Physique, UMR 8000 CNRS, université Paris-Sud, université Paris-Saclay, Orsay, France
-
Hynd REMITA : Directrice de recherche - Laboratoire de Chimie Physique, UMR 8000 CNRS, université Paris-Sud – université Paris-Saclay, Orsay, France
INTRODUCTION
La catalyse est un domaine important en chimie, puisque 90 % des processus chimiques impliquent un procédé catalytique dans au moins une de leurs étapes. Une étude aux États-Unis a ainsi permis de montrer que 60 % des 63 principaux produits chimiques industriels sont obtenus via un processus impliquant une étape de catalyse, et que 90 % des 34 principaux procédés industriels impliquent un phénomène de catalyse.
De ce fait, la catalyse est actuellement source de nombreuses études. En particulier, les processus catalytiques induits par une activation lumineuse ont été largement étudiés ces dernières décennies, car ils s'inscrivent dans une politique environnementale actuelle ayant la volonté d'employer des énergies propres, en l'occurrence l'énergie solaire.
Le développement de matériaux photocatalytiques efficaces sous irradiation dans le domaine visible permettrait donc d’utiliser de manière plus rationnelle l’énergie solaire et d’apporter ainsi des solutions à de nombreux problèmes environnementaux. En effet, la partie visible du spectre solaire sur terre représente environ 50 % du rayonnement, alors que les ultraviolets (UV) n’en constituent que 3 à 4 % environ.
Le développement de photocatalyseurs stables et actifs sous irradiation dans le domaine visible est donc un défi important. Il s'agit généralement de semi-conducteurs, tel le dioxyde de titane (TiO2), dont l'activité photocatalytique peut être étendue dans le visible par différentes modifications ou dopages. Nous présenterons ici des nanostructures à base de dioxyde de titane et leurs principales techniques de synthèse. Nous verrons comment le dioxyde de titane peut être dopé ou modifié en surface afin d’étendre son domaine d’activité dans le domaine visible. La synthèse d’autres matériaux photocatalytiques nanostructurés (semi-conducteurs inorganiques ou polymères conjugués) sera présentée. La technique de conductivité micro-ondes résolue en temps permet d’étudier la dynamique des porteurs de charge dans le matériau irradié, cette dynamique est fortement liée à son activité photocatalytique. Les différentes applications environnementales (dépollution de l’eau et de l’air, surfaces autonettoyantes, production d’hydrogène) des matériaux photocatalytiques seront décrites. Nous verrons enfin comment ces matériaux peuvent être insérés dans des réacteurs photocatalytiques.
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KEYWORDS
semiconductors | titanium dioxide | Nanomaterials | photocatalysis | nanostructures
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8. Glossaire
Demande chimique en oxygène (DCO) ; Chemical Oxygen Demand (COD)
Consommation en dioxygène par des oxydants chimiques forts pour oxyder les substances organiques et minérales de l'eau. Elle permet d'évaluer la charge polluante des eaux usées.
Dépôt chimique en phase vapeur ; Chemical Vapor Deposition (CVD)
Processus durant lequel un précurseur est porté à l'état de vapeur ; il réagit alors pour conduire à la formation d’un solide qui se condense à la surface d'un substrat. En ajustant le débit du gaz porteur, la température et la pression, il est possible de contrôler la forme des particules obtenues.
Équation de transfert radiatif ; Radiation Transfer Equation (RTE)
L’équation de transfert radiatif a été introduite pour décrire la propagation d’un rayonnement dans un milieu gazeux, solide ou liquide. La RTE est une équation de transport de la luminance.
Électrons chauds ; hot electrons
Gaz d'électrons ayant une énergie interne correspondant à une température supérieure à la température de la nanoparticule (au sens classique, i.e. correspondant aux vibrations du réseau ionique du solide). Un tel gaz d'électrons chauds peut être généré de manière transitoire par absorption de lumière. Il relaxe vers la température de la nanoparticule par collisions électrons-phonons.
Méthode TRMC ; Time Resolved Microwave Conductivity
Méthode « sans contact », s'appuyant sur la mesure de la variation induite par illumination laser de la puissance des micro-ondes réfléchies par un semi-conducteur. Cette variation, liée à une certaine absorption des micro-ondes, est causée par une évolution de la conductivité électrique de l’échantillon induite par le laser. Pour de faibles perturbations de la conductivité, une relation de proportionnalité entre l’absorption des micro-ondes et la conductivité a été établie.
Procédé sol-gel ; sol-gel synthesis
Technique de chimie douce s'effectuant à basse température, par hydrolyse d'un alcoxyde de titane suivie d'une condensation entraînant la formation d'une solution colloïdale. Un gel est alors obtenu après chauffage léger ou vieillissement.
Trou ; hole
Trou d'électron (habituellement appelé simplement trou) est l'absence...
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Glossaire
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - GAZQUEZ (M.J.), BOLIVAR (J.P.), GARCIA-TENORIO (R.), VACA (F.) - A review of the production cycle of titanium dioxide pigment. - Materials Sciences and Applications 5 441-458 (2014).
-
(2) - CASSAIGNON (S.), COLBEAU-JUSTIN (C.), DURUPTHY (O.) - Titanium dioxide in photocatalysis. - Nanomaterials : a danger or a promise (Brayner Roberta et al. (eds)). Springer-Verlag (2013).
-
(3) - CANON (W.R.), DANFORTH (S.C.), FLINT (J.H.), HAGGERTY (J.S.) - Sinterable ceramic powders from laser-driven reactions : process, description and modeling. - Journal of the American Society 65 324-330 (1981).
-
(4) - CASEY (J.D.), HAGGERTY (J.S.) - Laser induced vapour-phase synthesis of titanium dioxide. - Journal of Materials Science 2 1324-1347 (1987).
-
(5) - CURCIO (F.), MUSCI (M.), NOTARO (N.) - Synthesis of ultrafine TiO2 powders by a CW CO2 laser. - Applied Surface Science 46 225-229 (1990).
-
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
NORMES
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Photocatalyse – Méthode d'essais et d'analyses pour la mesure d'efficacité de systèmes photocatalytiques pour l'élimination des composés organiques volatils/odeurs dans l'air intérieur en recirculation – Test en enceinte confinée. - XP B44-013 - AFNOR - Décembre 2009
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Photocatalyse – Méthode d'essai pour l'évaluation des matériaux photocatalytiques vis-à-vis de la dégradation des NOx – Méthode à un seul passage en mode tangentiel. - XP B44-011 - AFNOR - Décembre 2009
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Photocatalyse – Méthodes d'essai par lots – Partie 1 : mesure de l'efficacité des dispositifs photocatalytiques servant à l'élimination, en mode actif, des COV et des odeurs dans l'air intérieur. - PR NF EN 16846-1 - AFNOR - Avril 2015
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