Élaboration, caractérisation et évaluation photocatalytique de matériaux de type TiO2 dopé – graphène

Elaboration, characterization and photocatalytic evaluation of doped TiO2 – graphene materials

• Auteur / Autrice : Hamza El Marouazi
• Direction : Valérie Keller, Izabela Janowska
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie physique
• Date : Soutenance le 13/12/2021
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des Sciences chimiques (Strasbourg ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Chimie et Procédés pour l'Energie, l'Environnement et la Santé (Strasbourg ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Chantal Guillard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christian Beauger, Alain Pénicaud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Synthèse hydrothermale

Oxyde de titane

Graphène

Biomasse

Hydrogène

Photocatalyse

Mots clés libres

Photocatalyse

Hydrogène

Biomasse

Graphène

Dioxyde de titane

Hydrothermal

Couplage photocatalyse/hydrothermal

Photocatalysis

Hydrogen

Biomass

Graphene

Titanium dioxide

Hydrothermal

Photocatalysis/hydrothermal coupling

Résumé

L’évolution fulgurante du niveau de la consommation énergétique a entraîné des répercussions négatives sur la qualité de vie de l’être humain et sur l’atmosphère de notre chère planète bleue, chose qui a poussé le monde à chercher des solutions urgentes de vecteur d’énergie comme H2. Dans ce cadre, cette thèse présente des travaux visant à développer des composites à base de TiO2/graphène principalement FLG (Few Layer Graphene), par un procédé simple et vert. L’efficacité de ces composites a été étudiée vis-à-vis de la production de H2 par photo-reformage du méthanol sous lumière solaire artificielle. Les meilleures activités sont fournies par les composites avec une faible teneur en FLG (FLG’): 1,0 et (0,5) wt%, qui sont 2 à 3 fois plus efficaces que les TiO2 de référence et commerciaux. Leur activité remarquable est attribuée à une surface spécifique plus élevée, à une meilleure séparation des charges photogénérées, grâce au transport de charges accrue sur les feuillets de graphène qui forment une interface de qualité avec les nanoparticules de TiO2, mais également à des propriétés supplémentaires d'absorption de la lumière visible par FLG, à la génération de porteurs de charges et à l’amélioration des défauts/fonctionnalisation des bords des feuillets de graphène. Les meilleurs échantillons ont été étudiés pour la transformation de la biomasse en comparant trois procédés : photocatalyse, hydrothermal et leur couplage. Nous avons montré que le procédé couplé est une voie efficace pour la production de produits d’une valeur énergétique recherchée. De plus, le FLG est un matériau de choix qui permet d’atteindre des activités photocatalytiques intéressantes pour la production de H2 et pour la conversion du glucose, tout en minimisant la quantité de métal noble.

The evolution in energy consumption has led to negative repercussions on the quality of life of living beings and on the atmosphere of our planet, which has pushed the world to seek solutions based on H2 as energy vector. In this context, this thesis presents works aiming at developing TiO2 and graphene (FLG, Few Layer Graphene)-based composites, by a simple and green process. The efficiency of these composites has been studied by the production of H2 by photoreforming of methanol under artificial sunlight. The best activities are provided by composites with low FLG (FLG’) content: 1.0 and (0.5) wt% which are 2 to 3 times more efficient than the reference and commercial TiO2. The remarkable activity of these photocatalysts is attributed to higher specific surface area, better photogenerated charge separation due to high charge transport properties on the graphene sheets that formed a good interface with the TiO2 nanoparticles, but also to additional visible light absorption properties by FLG, charge carrier generation and defect/functionalization enhancement of the graphene sheet edges. The best samples were studied in biomass transformation by comparing three processes: photocatalysis, hydrothermal and the coupled process. We have shown that the coupled process is an efficient way to produce products of high energy value. Moreover, FLG is a material of choice to achieve interesting photocatalytic activities for H2 production and glucose conversion, while minimizing the amount of noble metal.