Conception de nouvelles nanostructures de ZnO pour une dégradation photocatalytique améliorée des polluants organiques

Design of Novel ZnO Nanostructures for Enhanced Photocatalytic Degradation of Organic Pollutants

• Auteur / Autrice : Elias Daher
• Direction : Christel Laberty-Robert, Wael Hamd
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 18/09/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université en cotutelle avec Université Libanaise
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Chimie de la matière condensée de Paris (1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Hubert Perrot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Houssam El Rassy
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nathalie Herlin-Boime, Stéphane Parola

Mots clés

Mots clés contrôlés

Décontamination

Couches minces

Sol-gel, Procédé

Photocatalyse

Oxyde de zinc

Nanoparticules photocatalytiques

Mots clés libres

Croissance hydrothermale

Nanobâtonnets de ZnO

Sol-Gel Dip-Coating

Couches minces mésoporeux

Procédés d'oxydation avancée

Photocatalyse auto-nettoyage

Hydrothermal Growth

ZnO Nanorods

Sol-Gel Dip-Coating

Mesoporous Thin Films

Advanced Oxidation Processes

Photocatalysis Self-Cleaning

Résumé

Avec une industrialisation mondiale en croissance continue atteignant 6,1% en 2021 et un fardeau démographique de 8 milliards de personnes, le monde d'aujourd'hui est confronté aux pénuries d'énergie les plus importantes et à la pollution environnementale la plus étendue de son histoire. Particulièrement, les effluents chargés de molécules toxiques organiques récalcitrantes provenant des raffineries, de l'industrie pétrochimique, pharmaceutique, des plastifiants et de nombreuses autres industries mettent en danger la durabilité des eaux de surface et des eaux souterraines. Avec l'inefficacité des techniques de traitement conventionnelles pour résoudre ce problème, les processus d'oxydation avancée (AOP) sont apparus comme une technologie efficace, prometteuse et peu coûteuse, capable de s'attaquer à différents types de molécules organiques dans les milieux aquatiques. Parmi ces techniques, la photocatalyse hétérogène est apparue comme l'une des méthodes les plus efficaces et économiques en raison de la réutilisabilité du photocatalyseur et de l'absence de besoins en matière d'élimination secondaire. La technique est basée sur la génération d'espèces d'oxygène hautement réactives (ROS) lors de l'exposition d'un matériau photocatalytique à la lumière, conduisant à une technologie verte et durable. Ces ROS sont bien connus pour leur forte capacité d'oxydation de la matière organique, conduisant à leur minéralisation en molécules d’eau et dioxyde de carbone. Pour cette raison, le développement d'un photocatalyseur efficace et respectueux de l'environnement est important. Dans ce contexte, l'oxyde de zinc (ZnO) a attiré une grande attention à cause son efficacité élevée de conversion de l'énergie photonique, de son faible coût de production, de son faible degré de toxicité pour la vie marine/humaine et de sa longue durée de vie. Cependant, l'un des principaux défis auxquels ce matériau est confronté est l'efficacité photocatalytique limitée en raison de la recombinaison des paires électron-trou. Par conséquent, de nouvelles stratégies ont été développées pour améliorer son activité photocatalytique, telles que la conception de nouvelles micro/nanostructures de ZnO ou le couplage des photocatalyseurs avec d'autres techniques de traitement pour produire des effets synergiques. L'objectif de cette thèse est de concevoir de nouveaux types de nanostructures de ZnO pour dégrader efficacement les contaminants toxiques en phase liquide ou gazeuse. Pour cette raison, l'impact de la structure chimique des polluants sur la cinétique de dégradation a d'abord été étudié sur diverses molécules organiques toxiques. Ensuite, le système photocatalytique a été adapté pour la photodégradation de particules de microplastiques d'une taille de 300 μm. Les effets de la morphologie et de la microstructure sur l'activité photocatalytique du ZnO ont été étudiés afin d'améliorer l'efficacité du système photocatalytique. Pour y parvenir, des nanobâtonnets, des couches minces poreuses et plissées ont été synthétisés en optimisant les techniques de sol-gel et de croissance hydrothermale en milieu liquide. Bien que les nouveaux matériaux aient montré une cinétique de dégradation améliorée, le taux de recombinaison rapide des paires electron-trou continuait néanmoins de freiner son activité photocatalytique. Pour surmonter cette limitation, une oxydation photo-Fenton-like a été couplée au photocatalyseur ZnO. Quand les deux processus fonctionnant simultanément, un effet synergique a été obtenu grâce à la diminution de la recombinaison électron-trou d'un côté, et la régénération du réactif Fenton de l'autre côté. De plus, une nouvelle matrice de ZnO macroporeuses a été conçue en couplant la chimie sol-gel avec l'auto-assemblage de copolymères en bloc. Le nouveau matériau a présenté des propriétés d'auto-nettoyage remarquables lorsqu'il a été appliqué sur des surfaces revêtues.

With a continuously growing global industrialization reaching 6.1% in 2021 and a demographic burden of 8 billion people, today’s world is facing the most extensive energy shortages and environmental pollution in its history. Particularly, loaded effluents with recalcitrant organic toxic molecules from refineries, petrochemicals, pharmaceuticals, plasticizers, and many other industries, are continuously endangering surface and groundwater water sustainability. With the low efficiency of conventional treatment techniques in addressing this issue, advanced oxidation processes have emerged as an efficient, promising, and inexpensive technology, capable of tackling different types of organic molecules in aquatic mediums. Amongst these techniques, heterogeneous photocatalysis has emerged as one of the most efficient and economical methods due to the photocatalyst reusability and lack of secondary disposal requirements. The technique is based on the generating of highly reactive oxygen species (ROS) such as hydroxyl radical and superoxide radical upon the exposure of a photocatalyst material to light, making it a green and sustainable technology. These ROS are well-known for their strong oxidation capacity toward organic matter, leading to their mineralization into harmless molecules such as water and carbon dioxide. For that reason, developing an efficient and eco-friendly photocatalyst is of great importance. In this scope, Zinc oxide (ZnO) has been attracting high attention due to its high conversion efficiency of photonic energy, low production price, low degree of toxicity to marine/human life, and long life span. Nonetheless, one of the main challenges facing this material is the limited photocatalytic efficiency due to the recombination of electron-hole pairs. Therefore, new strategies have been developed to enhance its photocatalytic activity such as designing new micro/nanostructures of ZnO or coupling the photocatalysts with other treatment techniques to produce synergic effects.