Morphological control of nanoparticles of TiO2 and hétérostructures Au/TiO2 : experimental and theoretical study of the role of the surface on the photoelectronic properties

Contrôle morphologique de nanoparticules de tio2 et hétérostructures au/tio2 : étude expérimentale et théorique du rôle de la surface sur les propriétés photoélectroniques

• Auteur / Autrice : Fabien Dufour
• Direction : Corinne Chanéac
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des matériaux
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Paris 6

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sol-gel, Procédé

Photocatalyse

Nanoparticules

Résumé

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.