Synthèse de couches minces et de nanoparticules à base de bismuth par pulvérisation magnétron réactif pour des applications photocatalytiques

Synthesis of Bismuth-Based Thin Films and Nanoparticles by Reactive Magnetron Sputtering for Photocatalytic Applications

• Auteur / Autrice : Sara Ibrahim
• Direction : Angélique Bousquet, Pierre Bonnet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des Matériaux et Nanomatériaux
• Date : Soutenance le 20/10/2020
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne‎ (2017-2020)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences fondamentales (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Institut de Chimie de Clermont-Ferrand (Aubière, Puy-de-Dôme ; 2012-....)
• Jury : Président / Présidente : Agnès Granier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascal Tristant
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Carla Bittencourt, David Horwat
• DOI : 10.70675/725c0f8fz41dez4f56za346zf3da2f069c05

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photocatalyse

Mots clés libres

Photocatalyse

Pulvérisation magnétron réactif

Oxyde de bismuth

Oxyfluorure de bismuth

Hétérojonctions

Couches minces

Nanoparticules

Liquide ionique

Photocatalysis

Reactive magnetron sputtering

Bismuth oxide

Bismuth oxyfluoride

Heterojunctions

Thin films

Nanoparticles

Ionic liquid

Résumé

La photocatalyse est apparue comme un procédé peu coûteux et respectueux de l’environnement pour la dégradation des colorants polluants, la réduction photocatalytique du CO2, et la dissociation de l’eau. L’objectif principal de ce travail est de synthétiser de nouveaux photocatalyseurs à hétérojonction de haute activité et stabilité par le procédé de pulvérisation cathodique magnétron en condition réactive. Pour cela, nous avons choisi des matériaux à base de bismuth, qui sont récemment apparus comme de nouveaux candidats prometteurs pour les photocatalyseurs sensibles aux rayonnements UV et à la lumière visible. Des couches minces d’oxyde de bismuth et d’oxyfluorure de bismuth ont été déposées par la pulvérisation cathodique à partir d’une cible de bismuth dans des atmosphères constituées respectivement d’Ar/O2 et d’Ar/O2/CF4. Ces plasmas ont été étudiés par spectroscopie d’émission optique afin de déterminer l’état de la cible et d’identifier les différents régimes de la pulvérisation. Selon ces régimes, différents types de semi-conducteurs (seuls ou en hétérojonction) ont pu être déposés. Nous nous sommes plus particulièrement focalisés sur la formation et l’optimisation de structures à hétérojonction Bio/Bi2O3 et Bio/BiO0,5F2/Bi2O3 dans lesquelles le contrôle de la teneur en métal Bi° conduit à une amélioration de la séparation de charges et donc de la performance photocatalytique à travers la photodégradation du méthylorange et la photoconversion du CO2. Afin d’augmenter la surface spécifique du photocatalyseur, qui est limitée dans le cas des couches minces, la synthèse de nanoparticules à base de bismuth a également été réalisée par la pulvérisation cathodique réactive sur un liquide ionique [BMIM] [NTf2]. Les résultats obtenus révèlent la formation des nanoparticules sphériques de diamètre inférieur à 20 nm. La concentration de nanoparticules dépend des paramètres du procédé comme la puissance et le temps de pulvérisation, alors que la nature de ces nanoparticules a pu être modifiée selon les débits de gaz réactifs injectés.

Photocatalysis emerged as an inexpensive and environment-friendly process for the degradation of dye pollutants, the photocatalytic reduction of CO2, and water splitting. In this work, the main objective is to synthesize novel heterojunction photocatalysts of high activity and stability by the one-pot synthesis, reactive magnetron sputtering technique. For this purpose, we have chosen bismuth-based materials, which have recently emerged as promising new candidates for UV and visible light-responsive photocatalysts. Bismuth oxide and bismuth oxyfluoride films are deposited by sputtering a bismuth target in Ar/O2 and Ar/O2/CF4 atmospheres, respectively. To determine the target state and identify the sputtering regimes, the different plasmas are investigated by optical emission spectroscopy. Depending on these regimes, different kinds of semiconductors (individual or in heterojunction) are deposited. We focus our study on Bio/Bi2O3 and Bio/BiO0.5F2 heterojunctions, in which the controlled Bi° content leads to better charge separation and so an improved photocatalytic performance in the photodegradation of methyl orange dye and the photoconversion of CO2. Then, to increase the photocatalyst specific surface, spherical nanoparticles with a diameter < 20 nm are obtained by reactive sputtering onto [BMIM][NTf2] ionic liquid. The nanoparticle concentration depends on the process parameters as the power and the sputtering time, whereas their nature is varied depending on the injected reactive gas flow rates.