Dégradation photocatalytique de l'acide acétique en phase gazeuse en présence et absence d'O2 en utilisant différents TiO2 et M-TiO2 : étude comparative sur la conversion, la minéralisation et les sélectivités intermédiaires

Photocatalytic degradation of acetic acid in gas phase in the presence and in the absence of O2 using different TiO2 and M-TiO2 : a comparative study on the conversion, mineralization and intermediates’ selectivities

• Auteur / Autrice : Ha Son Ngo
• Direction : Chantal Guillard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 08/11/2017
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Chimie (Lyon ; 2004-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherches sur la Catalyse et l'Environnement de Lyon (Villeurbanne, Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Catherine Pinel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Valérie Keller, Jean-Marc Chovelon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mohamed Sarakha, Nathalie Herlin-Boime

Mots clés

Mots clés contrôlés

Énergie solaire

Acide acétique

Photocatalyse

Mots clés libres

Dégradation photocatalytique

Acide acétique

Phase gazeuse

TiO2 et M-TiO2

Conversion

Sélectivités intermédiaires

Photocatalytic degradation

Acetic acid

Gas phase

TiO2 and M-TiO2

Conversion

Intermediates' selectivities

Résumé

L'objectif de la thèse est de mieux comprendre les mécanismes de dégradation photocatalytique se produisant sous air ou sous azote en étudiant la disparition, la minéralisation et les produits intermédiaires d'une molécule simple l'acide acétique. Les réactions sont réalisées sous ces deux atmosphères afin de se placer dans des conditions de dépollution ou de génération d'énergie. L'étude est réalisée en phase gazeuse et sous flux en prenant comme molécule organique une molécule simple l'acide acétique. Dans un premier temps nous avons étudié la dégradation de l'acide acétique en utilisant le photocatalyseur de référence, TiO2 P25. Quel que soit le flux gazeux de réaction, air ou N2, nous avons montré que la réaction de décarboxylation est la première étape de la disparition de l'acide acétique. Cependant, le sort du groupe méthyle dépend du gaz porteur et du débit molaire (en d'autres termes de la concentration du polluant en phase gazeuse). Le mécanisme de dégradation se produisant à la surface du photocatalyseur est alors représenté pour expliquer l'importance de ce mécanisme comparé à celui faisant intervenir les radicaux hydroxyles. La schématisation du mécanisme inclut la régénération du photocatalyseur et la formation possible de H2O2, lequel a été observé dans la littérature. Il est également noté que la sélectivité d'éthane observé sous flux d'air augmente avec la concentration en polluant et correspond à la réaction de deux radicaux méthyl. Comme précédemment la formation de ce composé en surface du TiO2 est proposée. L'étude des produits de dégradation de l'acide acétique marqué par du carbone 13 sur le groupe carbonyle (CH313COOH) suggère que l'acétone et l'acétaldéhyde ne proviennent pas de la réduction du groupe carboxylique. Dans une seconde étape l'impact du flux photonique et de l'humidité en présence de TiO2 P25 et l'effet de différents TiO2 commerciaux sur la conversion et plus particulièrement la distribution des produits intermédiaires ont été étudiés. La comparaison de l'efficacité de différents TiO2 commerciaux a été discutée en considérant la présence de phase rutile, la nature des espèces actives, la surface spécifique de TiO2, le nombre de groupes OH à la surface des catalyseurs, la présence d'impuretés et la porosité des matériaux. Notre étude s'est ensuite focalisée sur la détermination de l'efficacité d'échantillons de TiO2 modifiés par ajout d'or afin d'améliorer la séparation des charges et ainsi la dégradation de polluant en présence d'air ou la formation de produit en présence de flux d'azote. Deux séries de Au/TiO2 avec les mêmes charges d'or (~ 0,16% en poids) ont été préparées par les deux méthodes: pyrolyse laser et pyrolyse par pulvérisation de flamme (Au-TiO2 LP et Au-TiO2 FSP). Les résultats ont montré que la présence d'or améliore l'activité photocatalytique dans l'air dans le cas des échantillons préparés par pyrolyse laser alors qu'aucun effet n'est observé avec les catalyseurs préparés par pyrolyse à flamme (FSP). Ce résultat s'explique en considérant la taille des nanoparticules d'or plus petite dans le cas des échantillons obtenus par pyrolyse laser. L'effet inverse est observé sous atmosphère de N2, la présence d'or diminue de plus de moitié la dégradation de l'acide acétique mais favorise la formation d'éthane. Ce résultat est discuté en considérant la présence d'or sous forme cationique. Malheureusement, par XPS, il n'a pas été possible d'observer d'or probablement dû à sa faible quantité. L'impact du dopage à l'azote de TiO2 LP et Au-TiO2 LP a également été étudié. Ce dopage diminue l'efficacité de cet échantillon. Finalement des études préliminaires ont été conduite d'une part sur l'efficacité de textile lumineux photocatalytique pour dégrader l'acide acétique afin d'améliorer les rendements quantiques et d'autre part sur les efficacités de catalyseurs Ag/TiO2 lesquels, outre diminué la pollution organique permettrait également l'inactivation des microorganismes

The objective of the thesis is to better understand the mechanisms of photocatalytic degradation occurring under air or under nitrogen by studying the disappearance, mineralization and intermediate products of a simple molecule acetic acid. The reactions are carried out under these two atmospheres in gas phase and dynamic mode in order to place themselves under conditions of depollution or of energy generation. Firstly, we studied the degradation of acetic acid using the reference photocatalyst, TiO2 P25. Regardless of the atmosphere, air or N2, we have shown that the decarboxylation reaction is the first step in the disappearance of acetic acid. However, the fate of the methyl group depends on the carrier gas and the molar flow rate (in other words, the concentration of the pollutant in the gas phase). The mechanism of degradation occurring on the surface of the photocatalyst is then represented to explain the importance of this mechanism compared to that involving the hydroxyl radicals. The schematization of the mechanism includes the regeneration of the photocatalyst and the possible formation of H2O2, which has been observed in the literature. The study of the degradation products of acetic acid labelled with carbon 13 on the carbonyl group (CH313COOH) suggests that acetone and acetaldehyde do not result from the reduction of the carboxylic group. In a second step, the impact of photonic flux and moisture in the presence of TiO2 P25 as well as the effect of different commercial TiO2 on the conversion and more particularly the distribution of the intermediate products have been studied. Comparison of the effectiveness of different commercial TiO2s was discussed by considering the presence of rutile phase, the nature of the active species, the specific surface area of TiO2, the number of OH groups on the surface of the catalysts, the presence of impurities and the porosity of the materials