Production photochimique de peroxyde d'hydrogène à l'aide de matériaux de silice hybrides dopés par des colorants : vers la dégradation des polluants organiques dans les eaux usées

Photochemical production of hydrogen peroxide using dye-doped hybrid silica materials : towards the degradation of organic pollutants in wastewater

• Auteur / Autrice : Charlotte David
• Direction : Yann Pellegrin, Valérie Héquet, Errol Blart
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie organique
• Date : Soutenance le 17/10/2024
• Etablissement(s) : Nantes Université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matière, Molécules Matériaux et Géosciences (Le Mans)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Chimie Et Interdisciplinarité : Synthèse, Analyse, Modélisation (Nantes)
• Jury : Président / Présidente : Armelle Ouali
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Caroline Andriantsiferana, Olivier Riant
• DOI : 10.70675/5bc20d45z0b49z47b3zbbbbz41d22f2918f1

Mots clés

Mots clés contrôlés

Eaux usées -- Épuration -- Traitement biologique

Photoproduction

Mots clés libres

Matériaux hybrides

Silice

Photochimie

H₂O₂

Pérylènes diimides

Acridiniums

Hybrid materials

Silica

Photochemistry

H₂O₂

Perylenes diimides

Acridiniums

Résumé

De nouveaux défis sont apparus dans le domaine du traitement des eaux usées, tels que l'élimination des contaminants émergents. Le besoin de méthodes de traitement durables a conduit à la recherche de systèmes de traitement de l'eau plus efficaces. Dans ce projet une double approche est proposée : 1) utiliser ces ressources en eau pour produire du H₂O₂, produit chimique précieux, avec les seuls apports de la lumière solaire et d’un photosensibilisateur, et 2) utiliser le H₂O₂ photo-produit pour générer des radicaux HO●, qui sont capables de détruire efficacement les polluants organiques. La production de HO● à partir de H₂O₂ et d’un catalyseur de Fenton est bien connue. Cependant la production peu onéreuse d’ H₂O₂ est une problématique bien plus ardue. C’est pourquoi les travaux décrits dans ce manuscrit concernent principalement la première étape du projet : la photoproduction d’H₂O₂. Afin de répondre à cette problématique, un cahier des charges a été fixé : le catalyseur doit être hétérogène, les propriétés optiques et photoredox doivent être aisément modulables et il ne doit pas y avoir de pollution supplémentaire dans le milieu réactionnel aqueux (ajout de réactifs solubles). Le concept repose alors sur des matériaux hybrides hétérogènes de silice dopés par des colorants, qui conservent les propriétés optiques et redox polyvalentes des colorants organiques moléculaires, immobilisés dans une matrice de silice insoluble et protectrice. Le premier objectif de ce projet est la conception des matériaux hybrides capables de photogénérer H₂O₂ dans des eaux polluées par simple irradiation solaire. Cette conception s’effectue en deux temps : synthèse des colorants organiques (pérylènes diimides ou acridiniums) puis immobilisation de ces-derniers dans une matrice de silice. Une fois les matériaux hybrides obtenus, ils ont été testés avec différentes eaux polluées artificiellement et l’eau oxygénée produite a pu être mesurée.

New challenges have emerged in the field of wastewater treatment, such as the removal of emerging contaminants, and the need for sustainable treatment methods has led to the search for more efficient water treatment systems. In this project a dual approach is proposed: 1) to use these water resources to produce H₂O₂, a valuable chemical, with the sole inputs of sunlight and a photosensitizer, and 2) to use the photoproduced H₂O₂ to generate HO● radicals, which are capable of effectively destroying organic pollutants. The production of HO● from H₂O₂ and a Fenton catalyst is well known. However, the inexpensive production of H₂O₂ is a much more challenging problem. For this reason, the work described in this manuscript focuses on the first stage of the project: the photoproduction of H₂O₂. To meet this challenge, a set of specifications was established: the catalyst must be heterogeneous, theoptical and photoredox properties must be easily modulated, and there must be no additional pollution of the aqueous reaction medium (addition of soluble reagents). The concept is therefore based on dye-doped heterogeneous silica hybrid materials, which retain the versatile optical and redox properties of molecular organic dyes, immobilized in an insoluble, protective silica matrix. The first objective of this project is to design hybrid materials capable of photogenerating H₂O₂ in polluted waters by simple solar irradiation. This is a two-stage process: synthesis of organic dyes (perylene diimides or acridiniums), followed by their immobilization in a silica matrix. Once the hybrid materials have been obtained, they have been tested with various artificially polluted waters, and the hydrogen peroxide produced was measured.