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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
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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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Insertion des nanomatériaux dans les réacteurs photocatalytiques
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5. Nanomatériaux photocatalytiques et chimie environnementale
Les applications environnementales de la photocatalyse impliquant TiO2 sont regroupées en trois catégories : le traitement de l'air, le traitement de l'eau et les surfaces autonettoyantes. Les trois catégories comprennent plusieurs domaines :
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traitement de l'air : décontamination de l'air intérieur et extérieur, élimination des composés organiques volatils (COV) et des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), stérilisation, désodorisation… ;
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traitement de l'eau : traitement des eaux usées industrielles et municipales, décoloration, décontamination et désinfection, dégradation de la DCO récalcitrante (demande chimique en oxygène)… ;
-
surfaces autonettoyante : autonettoyage et autostérilisation, fenêtres, bâtiments, tuiles, éclairage, murs, peintures, trottoirs…
Toutes ces applications utilisent du TiO2 photoactif, principalement sous forme d’anatase, considérée comme la phase la plus active. Le photocatalyseur peut être utilisé sous forme de poudre libre ou supporté, ou en couche mince, selon l'application. L'ensemble photocatalyseur-support sera appelé le médium photocatalytique.
Les systèmes décrits dans ce texte portent principalement sur l'oxydation des produits organiques dans l'eau. Il convient toutefois de noter que les problèmes sont assez similaires dans les cas de la réduction de composés inorganiques dans l'eau (en dépit des mécanismes photocatalytiques différents) ou de l’oxydation de composés organiques dans l'air (en dépit d’une conception de réacteur différente).
Pour être utilisé dans une application environnementale, comme le traitement des eaux usées, le média photocatalytique doit être assez actif pour réaliser les réactions dans un délai raisonnable. Cela signifie que son activité doit être estimée au préalable. Aujourd'hui, des tests standardisés pour les médias photocatalytiques sont encore en débat, et il n'y a aucune molécule établie et incontestable pour évaluer la photoactivité.
Dans l'eau, les molécules colorées comme la rhodamine B ou le bleu de méthylène (MB) ont été largement utilisées car la cinétique de la réaction photochimique est relativement élevée et en raison de l'effet visuel procuré par la décoloration. Cependant, leur utilisation est maintenant contestée parce que le blanchiment peut être...
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Nanomatériaux photocatalytiques et chimie environnementale
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).
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(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).
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(4) - CASEY (J.D.), HAGGERTY (J.S.) - Laser induced vapour-phase synthesis of titanium dioxide. - Journal of Materials Science 2 1324-1347 (1987).
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(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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