Nanostructures de ZnO pour le développement de routes dépolluantes photocatalytiques

ZnO Nanostructures for the development of depolluting photocatalytic roads

• Auteur / Autrice : Marie Le Pivert
• Direction : Yamin Leprince-Wang
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des Matériaux
• Date : Soutenance le 16/10/2020
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire électronique, systèmes de communication et microsystèmes
• Jury : Président / Présidente : Nicolas Hautière
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Hautière, Hynd Remita, Christophe Geantet, Flavien Geisler, Delphine Schaming, Vincent Gaudefroy
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hynd Remita, Christophe Geantet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Oxyde de zinc

Pollution atmosphérique -- Lutte contre

Routes -- Aspect environnemental

Sols -- Décontamination

Photocatalyse

Mots clés libres

Route dépolluante

Nanostructures de ZnO

Photocatalyse

Synthèse hydrothermale

Depolluting road

ZnO Nanostructures

Photocatalysis

Hydrothermal synthesis

Résumé

Selon l’OMS, la pollution de l’air serait responsable de 7 millions de morts par an dans le monde. Elle est également responsable de l’effet de serre mais aussi de la pollution de l’eau, des sols et de la végétation via les eaux de ruissellement et les dépôts atmosphériques. Il est donc primordial de limiter l’émission de cette pollution, mais aussi de la traiter directement au niveau de ses sources d’émission. Une source importante d’émission de polluants, tels que les composés organiques volatiles (COVs) ou les oxydes d’azote (NOx), est le transport, notamment le trafic routier. C’est pourquoi développer et concevoir des matériaux de génie civil pour la dépollution de l’environnement est devenu un enjeu majeur. Le processus oxydatif appelé photocatalyse, qui utilise uniquement un photocatalyseur et une source lumineuse pour la dégradation et la minéralisation des contaminants organiques, a déjà largement prouvé son efficacité pour l'assainissement de l'environnement. Ainsi, depuis quelques années, les pavés photocatalytiques se sont rapidement développés pour répondre aux problèmes de pollution de l’air et de l’eau. À notre connaissance, ces infrastructures photocatalytiques utilisent principalement les photocatalyseurs sous forme de nanoparticules libres en les mélangeant au béton, au ciment et à la peinture. Cependant, cela entraîne un gaspillage d'une grande partie des photocatalyseurs en raison de leur localisation dans le volume. Afin de répondre aux problèmes de pollution générés par le trafic routier tout en limitant l’utilisation de matière première non utile à la photocatalyse, nous avons développé une nouvelle méthode innovante basée sur la synthèse hydrothermale, à basse température et à faible coût, capable de faire croître des nanofils d'oxyde de zinc (ZnO) directement sur la surface plus ou moins chaotique des matériaux de construction tels que les carrelages, le béton, et les granulats. Les caractérisations microstructurales (MEB, DRX) et les mesures spectroscopiques UV-visible ont montré des nanostructures de ZnO ayant une morphologie homogène, une bonne cristallinité et des valeurs de gap de 3,22 eV ± 0,02 eV. Leur efficacité photocatalytique a été démontrée par des études de dépollution de l’eau et de l’air (élimination des colorants organiques dans l'eau et de l’acétone dans l'air). Une excellente efficacité pour la dépollution de l'environnement par photocatalyse a même été enregistrée après de nombreux cycles de fonctionnement et sous la lumière naturelle du soleil. Grâce à des travaux d’optimisation et de mise à l’échelle du procédé, des infrastructures routières innovantes ont été produites à moyenne échelle : 2 m² de route bitumée contenant une monocouche d'agrégats fonctionnalisés avec des nanostructures de ZnO et 1,89 m² de mur composé des carrelages recouverts de nanostructures de ZnO. Ces infrastructures routières photocatalytiques ont ensuite pu démontrer leur bonne efficacité en purifiant, sous lumière solaire artificielle et à grande échelle, l’air d’une chambre climatique hermétique préalablement polluée par les gaz d'échappement d’une voiture (Sense-City, UGE, Marne-la-Vallée, 400 m², 3200 m3). En parallèle, des études sur le dopage du ZnO ont également été menées afin d'améliorer l'efficacité photocatalytique de nos matériaux sous lumière solaire naturelle

The World Health Organization (WHO) estimated that air pollution kills around seven million people worldwide every year. It is also responsible for greenhouse effect, and water and soil pollution via water runoff and atmospheric deposition. Thus, reducing and treating polluting emissions directly at their source becomes essential. A significant source of pollutants, such as Volatile Organic Compounds (VOCs) and Nitrogen Oxides (NOx), is transportation, in particular, road traffic. Therefore, developing and designing smart civil engineering materials for daily life environmental depollution is a major issue. The oxidative process called photocatalysis, which only uses a photocatalyst and light for the degradation and mineralization of organic contaminant into harmless compounds, has largely proven its efficiency for environment remediation. Thus, photocatalytic paving blocks were rapidly developed in order to deal with both air and water pollution. To the best of our knowledge, photocatalytic infrastructures mainly use free photocatalyst nanoparticles incorporated into concrete, cement and/or painting. However, this leads to a waste of a significant part of the integrated photocatalysts due to their location in the volume. In order to limit road traffic pollution and waste of raw photocatalytic materials, we developed an innovative simple low-temperature and low-cost hydrothermal synthesis for the direct growth of zinc oxide (ZnO) nanowires on tiling, concrete and rock aggregates surfaces. Microstructural characterizations (MEB, DRX) and UV-Visible spectrometric measurements showed the obtaining of ZnO nanowires with good homogenous morphologies, good crystallinities and a gap value of 3.22 eV ± 0.02 eV. Their photocatalytic efficiency was demonstrated by water and air depollution studies (organic dyes elimination from water and acetone removal from air). Their excellent photocatalytic activity was also recorded after many operating cycles and under natural sunlight. By optimizing the synthesis process and scaling-up operations, road infrastructures were produced at the middle scale: 2 m² of bitumen road with a single layer of aggregates functionalized by ZnO and 1.89 m² of tiling wall functionalized by ZnO. Then, these road infrastructures demonstrated a good photocatalytic efficiency for real exhaust car gas remediation under artificial sunlight and at a large scale in a climatic chamber (Sense-City, UGE, Marne-la-Vallée, 400 m², 3200 m3). Other studies on ZnO doping were also conducted in order to improve photocatalytic efficiency under natural sunlight