Microréacteurs photocatalytiques utilisant des oxydes métalliques semi-conducteurs sensibilisés par des Quantum Dots CuInS2/ZnS

Photocatalytic microchannel reactors using metal-oxide semiconductors sensitized with CuInS2/ZnS quantum dots

• Auteur / Autrice : Florian Donat
• Direction : Raphaël Schneider, Didier Robert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés et des produits
• Date : Soutenance le 20/07/2017
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : RP2E - Ecole Doctorale Sciences et Ingénierie des Ressources, Procédés, Produits, Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire réactions et génie des procédés
• Jury : Président / Présidente : Marie-Pierre Fontaine
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Raphaël Schneider, Didier Robert, Chantal Guillard, Lavinia Maria Balan, Fabien Gérardin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marie-Pierre Fontaine, Chantal Guillard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hétérojonctions

Déchets biomédicaux -- Élimination

Microréacteurs chimiques

Points quantiques

Oxydes métalliques

Photocatalyse

Mots clés libres

Hétérojonction

Photocatalyse

Quantum Dots

ZCIS

ZnO

Heterojunction

Photocatalysis

Quantum Dots

ZCIS

ZnO

Résumé

La pollution actuelle des effluents hospitaliers par des médicaments, nécessite le développement de nouvelles techniques de traitement, la photocatalyse étant l’une des plus efficaces pour remédier à ce type de pollution. Cependant, les oxydes métalliques utilisés pour la photocatalyse (TiO2, ZnO, …) ne sont activables que sous irradiation UV. L’association de ces oxydes à des Quantum Dots (QDs), crée une hétérojonction qui étend la zone d’activation du photocatalyseur vers les rayonnements visibles et diminue les recombinaisons des porteurs de charges. La première partie de ce travail décrit le développement d’un photocatalyseur activable sous irradiation solaire pour la dégradation du colorant Orange II. Nous avons d’abord caractérisé l’hétérojonction créée entre ZnO et les QDs CuInS2/ZnS (ZCIS) puis étudié leur efficacité photocatalytique, en regardant notamment leurs capacités à générer des espèces réactives de l’oxygène. Dans la seconde partie, nous avons évalué la photodégradation d’un agent anticancéreux, l’Ifosfamide, présent dans les effluents hospitaliers. Pour cela, des réacteurs fermés agités et des microréacteurs ont été utilisés. Dans les deux cas, l’Ifosfamide, ainsi que ses intermédiaires de dégradation, sont photodégradés efficacement par le catalyseur ZnO/ZCIS sous une irradiation solaire de faible intensité (5 mW/cm2). Dans le cas des microréacteurs, le dépôt du catalyseur dans le microcanal a été optimisé et sa stabilité évaluée. Les résultats montrent que le catalyseur ZnO/ZCIS est réutilisable cinq fois sans perte d’activité, témoignant d’une bonne recyclabilité, ce qui en fait un bon candidat pour des applications photocatalytiques

The pollution of hospital effluents by pharmaceutical drugs, requires the development of new treatment techniques. Among these processes, photocatalysis is one of the most efficient one and allows the remediation of this kind of pollution. However, metal oxides used for photocatalysis (TiO2, ZnO, …) can only be activated by UV light. The association of these oxides with quantum dots (QDs) creates an heterojunction, which not only allows to extend the activation spectrum of the photocatalyst to the visible region but also decreases the charge carriers recombinations. The first part of this work describes the development of a catalyst responding to solar light irradiation for the degradation of the Orange II dye. First, we characterized the heterojunction created between ZnO and the CuInS2/ZnS (ZCIS) QDs and evaluated their photocatalytic efficiency. This work was undertaken by evaluating the capacity of the ZnO/ZCIS catalyst to produce reactive oxygen species (ROS). In the second part, we studied the photodegradation of the antineoplastic agent Ifosfamide commonly found in hospital effluents. For this purpose, closed and agitated reactors but also microreactors were used. In both cases, Ifosfamide, and the compounds originating from its degradation, can be fully photodegraded under simulated light of weak intensity (5 mW/cm2) using the ZnO/ZCIS catalyst. In the case of microreactors, the deposition of the catalyst was optimized and its stability evaluated. Results obtained demonstrate that the ZnO/ZCIS catalyst can be reused, at least five times, without significant loss in activity, thus demonstrating its ability to be used in real photocatalytic applications