Elaboration de nano-photocatalyseurs mixtes à base d'oxide de métal ZrᵪTi₁-ᵪO₂

Elaboration of mixed metal oxide ZrᵪTi₁-ᵪO₂ nano-photocatalysts

• Auteur / Autrice : Khley Cheng
• Direction : Andrei Kanaev, Y Sok Khay Chhor
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 11/04/2018
• Etablissement(s) : Sorbonne Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Galilée (Villetaneuse, Seine-Saint-Denis)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Propriétés Mécaniques et Thermodynamiques des Matériaux (....-2010)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université Sorbonne Paris Nord (Bobigny, Villetaneuse, Seine-Saint-Denis ; 1970-....)
• Jury : Président / Présidente : Dominique Vrel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Y Sok Khay Chhor, Rabah Azouani
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Colbeau-Justin, Sophie Cassaignon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photocatalyse

Dispersion (mathématiques)

Sol-gel, Procédé

Mots clés libres

Composite ZrᵪTi₁-ᵪO₂

Réacteur sol-Gel à micromélange

Nanoparticules

Photocatalyseur

Composite ZrᵪTi₁-ᵪO₂

Sol-Gel micromixing reactor

Nanoparticles

Photocatalyst

Résumé

Ce présent mémoire porte sur l'élaboration de composites nanoparticulaires ZrᵪTi₁-ᵪO₂, de l'étape de nucléation des nanoparticules au solide cristallin massif ainsi que sur leur application en photocatalyse. La synthèse a été réalisée dans un réacteur sol-gel à micromélange utilisant des précurseurs d'isopropoxyde de titane (IV) et de propoxyde de zirconium (IV) dans différents rapports molaires et taux d'hydrolyse. Ces expériences ont conduit à la formation de nanoparticules amorphes monodisperses oxo-alcoxy de zirconium titane(ZTOA) de rayon R = 1,6 nm pour 0 ≤ x ≤ 0,2, R = 2,1 nm pour 0,3 ≤ x ≤ 0,6 et des particules oxo-alcoxy de zirconium (ZOA) de rayon R = 1,8 nm pour 0,7 ≤ x ≤ 1. Celles-ci se transforment, après traitement thermique, en cristallite nanoporeux respectivement dans les phases anatase, orthorhombique et monoclinique / tétragonale. La température du début de transition dépend significativement de la composition x. Les particules d'anatase de composition 0 < x < 0,2 ont été sélectionnées pour des applications photocatalytiques en phase gazeuse (éthylène) et en phase liquide (MB et phénol). La meilleure performance photocatalytique a été obtenue pour un matériau de composition optimale x = 0,0425 et traitée thermiquement à 500 °C. L'activité la plus forte enregistrée est pratiquement deux fois celle du TiO₂ pur préparé dans les mêmes conditions.

The PhD study is focused on synthesis of nanoparticulate ZrᵪTi₁-ᵪO₂ composites : from nucleation stage of nanoparticles to bulk crystalline solid and their application in photocatalysis. The synthesis was achieved in a sol-gel micromixing reactor using titanium (IV) isopropoxide and zirconium(IV) propoxide precursors in different molar and hydrolysis ratios, resulting in monodispersed zirconium-titanium oxo-alkoxy (ZTOA) nanoparticles : R=1.6 nm for 0≤x≤0.2, R=2.1 nm for 0.3≤x≤0.6 with orthorambic and ZOA of R=1.8 nm for 0.7≤x≤1. They convert after heat treatment to nanoporous crystallite in respectively anatase, orthorambic and monoclinic/tetragonal crystalline phases, which onset temperature depend on x. The anatase compositions (0≤x≤0.2) were selected for photocatalytic applications in gas phase (ethylene) and liquid phase (MB and phenol) degradation. The optimum composition x=0.0425 heat treated at 500 °C revealed the strongest activity, two times higher than pure TiO₂. We found that the photocatalytic activity directly correlates with the specific surface area.