Influence de l´oxyde de Graphene (GO) sur les nanostructures TiO2-GO appliquées à la dépollution de l´eau

Influence of graphene oxide (GO) on TiO2-GO nanostructures applied to water pollution control

Influencia del óxido de grafeno (GO) en las nanoestructuras TiO2-GO aplicadas al control de la contaminación del agua

• Auteur / Autrice : Francisco Javier Gomez Cano
• Direction : Abdelhadi Kassiba, Iouri Koudriavtsev, Sandrine Coste, Velumani Subramaniam
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 06/09/2024
• Etablissement(s) : Le Mans en cotutelle avec El Centro de Investigacion y de Estudios Avanzados del Insituto Politécnico National. Cinvestav (Méxique)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matière, Molécules Matériaux et Géosciences (Le Mans)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Molécules et Matériaux du Mans (Le Mans ; 2012-....) - Institut des Molécules et Matériaux du Mans / IMMM
• Jury : Président / Présidente : Benoît Guiffard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Malgorzata Makowska Janusik, Juan Carlos Durán-Álvarez, Miguel García Rocha
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Malgorzata Makowska Janusik, Juan Carlos Durán-Álvarez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Pollution de l'eau -- Lutte contre

Matériaux hybrides

Nanoparticules photocatalytiques

Oxyde de titane

Nanostructures

Propriétés physico-chimiques

Oxyde de graphène

Mots clés libres

Dioxyde de titane

Oxyde de graphène

Nanostructures hybrides

Dépollution de l'eau

Titanium dioxide

Graphene Oxide

Hybrid nanostructures

Water remediation

Dióxido de titanio

Oxido de grafeno

Nanoestructuras hibridas

Remediación del agua

Résumé

Les préoccupations croissantes en matière de préservation de l’environnement ont orienté les efforts de la recherche vers le développement de nanomatériaux adaptés aux applications à la dépollution de l'eau. Dans ce contexte, des oxydes de graphène (GO) et leurs nanostructures hybrides associant des nanoparticules de TiO2 ont été synthétisés en vue d’exploiter des processus tels que l'adsorption et la photocatalyse pour l'élimination des polluants organiques dans l'eau. Les travaux menés ont permis d’étudier l’influence des propriétés physicochimiques des GO et en particulier leurs degrés d’oxydation sur les propriétés structurales, électronique et de photoactivité des nanocomposites hybrides TiO2-GO. La fabrication de nanostructures hybrides à base de TiO2 et de GO par broyage à haute énergie et par photosonication a été mise en oeuvre ainsi que des techniques de caractérisations complémentaires telles que la diffraction de RX, la spectrométrie Raman, la microscopie électronique SEM/TEM, la spectroscopie FT-IR, XPS et de résonance paramagnétique électronique RPE. L’analyse approfondie des résultats obtenus sur une variante de nanocomposites TiO2-GO a mis en évidence l'évolution des propriétés physico-chimiques et morphologiques des nanostructures en fonction des conditions d'oxydation contrôlées du GO. En complément, des études théoriques par DFT ont révélé la corrélation entre les variations de la bande électronique interdite et la concentration des groupes fonctionnels dans le matériau GO. Les phénomènes d’adsorption et de photocatalyse des différentes compositions TiO2-GO ont été étudiés à travers l’élimination du bleu de méthylène (MB) avec des efficacités remarquables. La même approche expérimentale qui a été ensuite explorée sur des organismes biologiques tels que des microalgues à travers la dégradation de sous-produits associés, souligne le caractère interdisciplinaire de ces travaux. Ainsi, en explorant systématiquement les degrés d'oxydation du GO et les techniques de fabrication des nanocomposites, les études effectuées contribuent à la compréhension et l'optimisation des propriétés et caractéristiques des nanostructures hybrides à base de TiO2 et de GO pour une meilleure efficacité de leur utilisation pour la dépollution de l'eau.

Growing environmental concerns have focused research efforts on the development of nanomaterials suitable for water pollution control applications. In this context, graphene oxides (GOs) and their hybrid nanostructures combining TiO2 nanoparticles have been synthesized to exploit processes such as adsorption and photocatalysis for the removal of organic pollutants from water. The work carried out analyses the influence of the physicochemical properties of GOs, and in particular their oxidation degree, on the structural, electronic, and photoactivity properties of TiO2-GO hybrid nanocomposites. Hybrid nanostructures based on TiO2 and GO were prepared by high-energy milling and photosonication, and complementary characterization techniques such as X-ray diffraction, Raman spectrometry, SEM/TEM electron microscopy, FT-IR, XPS, and EPR electron paramagnetic resonance spectroscopy were applied. An in-depth analysis of the experimental results obtained on selective TiO2-GO nanocomposites highlighted the evolution of the physicochemical and morphological properties of the nanostructures as a function of the controlled GO oxidation conditions. Furthermore, theoretical studies using DFT revealed the correlation between the variations of the electronic bandgap and the concentration of functional groups in the GO material. The adsorption and photocatalysis phenomena of the different TiO2-GO compositions were investigated by degradation of methylene blue (MB) dyes with remarkable efficiency. The same experimental approach, which was then studied on biological organisms such as microalgae through the degradation of associated by-products, underlines the interdisciplinary nature of this work. Thus, by systematically studying the oxidation levels of GO and the techniques used to prepare nanocomposites, the work carried out contributes to a deeper understanding of the physicochemical characteristics of TiO2-GO nanocomposites and optimizes their properties and characteristics for efficient photocatalytic activity applied to water purification.

La creciente preocupación por el medio ambiente ha centrado los esfuerzos de investigación en el desarrollo de nanomateriales adecuados para aplicaciones de control de la contaminación del agua. En este contexto, se han sintetizado óxidos de grafeno (GOs) y sus nanoestructuras híbridas combinando nanopartículas de TiO2 para explorar procesos como la adsorción y la fotocatálisis para la eliminación de contaminantes orgánicos del agua. El trabajo realizado analiza la influencia de las propiedades fisicoquímicas de los GOs, y en particular su grado de oxidación, sobre las propiedades estructurales, electrónicas y de fotoactividad de los nanocomposites híbridos TiO2-GO. Las nanoestructuras híbridas basadas en TiO2 y GO se prepararon mediante molienda de alta energía y fotosonicasión, y se aplicaron técnicas complementarias de caracterización como difracción de rayos X, espectrometría Raman, microscopía electrónica SEM/TEM, FT-IR, XPS y espectroscopia de resonancia paramagnética electrónica EPR. Un análisis en profundidad de los resultados experimentales obtenidos sobre nanocompuestos selectivos de TiO2-GO puso de manifiesto la evolución de las propiedades fisicoquímicas y morfológicas de las nanoestructuras en función de las condiciones de oxidación controlada del GO. Además, los estudios teóricos mediante DFT revelaron la correlación entre las variaciones del bandgap y la concentración de grupos funcionales en el GO. Los fenómenos de adsorción y fotocatálisis de las diferentes composiciones de TiO2-GO se investigaron mediante la degradación de colorantes azul de metileno (MB) con notable eficacia. El mismo enfoque experimental, que luego se estudió en organismos biológicos como las microalgas mediante la degradación de los subproductos asociados, subraya el carácter interdisciplinario de este trabajo. Así, mediante el estudio sistemático de los niveles de oxidación del GO y de las técnicas empleadas para la preparación de nanocomposites, el trabajo realizado contribuye a profundizar en el conocimiento de las características fisicoquímicas de los nanocomposites TiO2-GO y a optimizar sus propiedades y características para una eficiente actividad fotocatalítica aplicada a la depuración de aguas.