Modification du dioxyde de titane par des nanoparticules bimetalliques or-cuivre et synthèse de photocatalyseurs à base de cuivre : application au traitement de l’eau

Modification of Titania with Gold-Copper Bimetallic Nanoparticles and Preparation of Copper-Based Photocatalysts : Application in Water Treatment

• Auteur / Autrice : Hai Zibin
• Direction : Chen Jiafu, Hynd Remita
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie-physique
• Date : Soutenance le 02/07/2013
• Etablissement(s) : Paris 11 en cotutelle avec University of science and technology of China
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Chimie de Paris-Sud (Orsay, Essonne ; 2006-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de chimie physique (Orsay, Essonne ; 2000-....) - Hefei National Laboratory for Physical Sciences at Microscale - Laboratoire de Chimie Physique D'Orsay
• Jury : Président / Présidente : Tian Yupeng
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Chen Jiafu, Hynd Remita, Tian Yupeng, Wu Guozhong, Nancy Brodie-Linder, Yu Shu-Hong, Liu Hewen, Isabelle Lampre
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Wu Guozhong, Nancy Brodie-Linder

Mots clés

Mots clés contrôlés

Semiconducteurs

Nanoparticules métalliques

Chimie sous rayonnement

Photocatalyse

Mots clés libres

Photocatalyse

Chimie sous rayonnement

Nanoparticules métalliques

Semiconducteurs

Photocatalysis

Radiation Chemistry

Metal Nanoparticle

Semiconductors

Résumé

Deux types de photocatalyseurs ont été développés et étudiés. Nous avons modifié TiO2 en surface par des nanoparticules métalliques et nous avons synthétisé des sulfures et oxydes de cuivre. Les nanostructures ont été caractérisées par différentes techniques: HRTEM, SEM, XRD, XPS, HAADF-SEM, et TRMC. Leur activité photocatalytique a été étudiée pour la dégradation des polluants modèles: le phénol, la rhodamine B et l’orange de méthyle.Nous avons modifié la surface de TiO2 par des nanoparticules mono- et bimétalliques (induites par radiolyse ou par réduction chimique) afin d'améliorer son activité photocatalytique. Les meilleurs résultats en terme d'activité photocatalytique ont été obtenus avec la réduction par THPC (tétrakis (hydroxy méthyle) de chlorure de phosphonium) et par réduction radiolytique des ions métalliques déposés par de l'urée. La modification en surface de TiO2 par des nanoparticules de Au, Cu et Au-Cu permet l'augmentation de son activité sous la lumière UV. Le dépôt d’une très faible quantité de métal (0,5%) peut augmenter l’activité de TiO2, le coût de préparation des photocatalyseurs est donc relativement faible.Nous avons également développé la synthèse radiolytique de nanostructures de Cu2O et CuS de différentes morphologies. Leur activité photocatalytique a été étudiée. Les nanostructures de Cu2O sous forme d’octaèdres tronqués présentent une activité photocatalytique très élevée sous lumière visible. D’autre part, les nanotubes de CuS présentent à la fois une grande capacité à absorber des colorants et une activité photocatalytique élevée sous lumière visible.

Photocatalysis is recently extensively studied because it implies a variety of potential industrial applications ranging from the hydrogen generation of water splitting to the treatment of waste water. Among all the semiconductors, TiO2 has attracted the most attention. But the rate of the electron-hole recombinations is very important and TiO2 is active only under UV light. Various methods are developed to enhance the photoactivity of TiO2. Other semiconductors like copper oxides and copper sulfides also attracted attention due to their lower band-gaps which allow applications in solar photocatalysis. In this work, different kinds of photocatalysts were developed and studied: surface modified TiO2 with metal nanoparticles and copper sulfides and oxides. The nanostructures were characterized by different techniques: HRTEM, SEM, XRD, XPS, HAADF-SEM, and TRMC. Their photocatalytic activity was studied for degradation of model pollutants: phenol, rhodamine B and methyl orange. Different chemical and radiolytic methods have been investigated to modify the surface of TiO2 by mono- and bimetallic (Au, Cu and Au-Cu) nanoparticles in the aim to improve its photocatalytic activity. The best results in term of photocatalytic activity have been obtained with reduction of THPC (tetrakis (hydroxymethyl) phosphonium chloride) and with radiolytic reduction after deposition with urea. Titania surface modification with Au, Cu and bimetallic Au-Cu NPs enables the increase of the photocatalytic activity under UV light. We have found that very small amounts of metal (0.5% wt.) can activate titania for photocatalytic applications, thus the costs of photocatalyst preparation are relatively low. Radiolytic syntheses of non-TiO2 photocatalysts including Cu2O and CuS nanostructures with different morphologies have been developed. The photocatalytic activity of the synthesized photocatalysts has been studied. Truncated octahedral Cu2O exhibit an excellent photocatalytic activity under visible illumination. CuS nanotubes (NTs) exhibit both a high ability to adsorb dyes and a photocatalytic activity under visible light.