Nanocomposites à base d'halloysite et d'oxyde de titane par électrofilage comme photocatalyseur pour le traitement de l'eau

Halloysite-titanium oxide based nanocomposites by electrospinning as photocatalyst for water treatment

• Auteur / Autrice : Mahmoud Abid
• Direction : Mikhael Bechelany, Abdesslem Ben haj amara
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie et Physico-Chimie des Matériaux
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 23/06/2023
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....) en cotutelle avec Université de Carthage
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Chimiques Balard (Montpellier ; 2003-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IEM - Institut Européen des Membranes
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : DM3 - Design des Matériaux Membranaires et systèmes Multifonctionnels
• Jury : Président / Présidente : Sophie Tingry
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mikhael Bechelany, Roland Habchi, Mohamed Dammak, Rym Abidi, Abdesslem Ben haj amara
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Roland Habchi, Mohamed Dammak

Mots clés

Mots clés libres

Halloysite

Nanocomposite

Photocatalyse

TiO2

Électrofilage

Acétaminophène

Halloysite

Nanocomposite

Photocatalysis

TiO2

Electrospinning

Acetaminophen

Résumé

De nos jours, la pollution de l'eau est un problème majeur qui entraîne des problèmes de santé et d'environnement. Avec un traitement approprié de l'eau, comme par la photocatalyse hétérogène, il est possible de réduire la pollution de l'eau en dégradant les polluants. Dans ce travail, l'élaboration de fibres nanocomposites halloysite-TiO2 en combinant la méthode sol-gel et l'électrofilage a été réalisée pour élaborer un matériau hautement catalytique avec une grande stabilité. L'halloysite (HNTs) utilisée a été extraite de Tamra (NW Tunisie). Dans la première partie de cette thèse, des nanofibres composites à base de TiO2 avec une grande quantité de HNT (95%) ont été préparées avec succès en combinant les méthodes sol-gel et électrofilage dans le but d'obtenir un bon catalyseur pour la dégradation de l'acétaminophène. Dans la deuxième partie, nous avons combiné l'électrofilage et le traitement thermique sous azote pour produire des nanofibres composites N-HNT-TiO2 et comparer leur photoactivité avec celle de HNT-TiO2. Dans la dernière partie, nous avons fabriqué des nanofibres composites en incluant des quantités contrôlées de nitrure de bore (BN) (5%), d'oxyde de titane (TiO2) et d'halloysite (HNT) pour améliorer l'activité photocatalytique de l'acétaminophène sous lumière visible et nous avons comparé leurs résultats avec HNT- TiO2. Les propriétés morphologiques et structurelles de toutes les nanostructures synthétisées ont été étudiées par plusieurs techniques de caractérisation telles que la diffraction des rayons X (XRD), la microscopie électronique à balayage et à transmission (MEB/MET), la spectroscopie Raman, la méthode Brunauer-Emmett-Teller (BET) et la spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS). Les résultats ont confirmé l'incorporation d'halloysite dans les nanofibres de TiO2. Les résultats montrent que les propriétés chimiques et physiques ont un grand impact sur les propriétés photocatalytiques des hybrides synthétisés et ont confirmé l'incorporation de l'halloysite dans les nanofibres de TiO2. De plus, il a été constaté que l'effet de dopage conduit à une séparation de charge plus efficace dans le photocatalyseur, ce qui constitue un avantage pour les activités photocatalytiques. En outre, le bleu de méthylène (BM) et l'acétaminophène (ACT) ont été utilisés comme polluants modèles dans l'expérience de dégradation. Une amélioration significative et une stabilité à long terme de l'activité photocatalytique ont été observées avec les matériaux dopés par rapport aux matériaux non dopés sous la lumière visible. Une meilleure compréhension des voies d'oxydation photocatalytique (basée sur l'analyse des sous-produits) couplée à des tests de toxicité (Vibrio fischeri., Microtox) a été étudiée. Les résultats indiquent que BN/TiO2/HNT présente des propriétés photocatalytiques intéressantes pour la dégradation des composés organiques et l'élimination des bactéries.

Nowadays, water pollution is a major problem leading to health and environmental issues. With proper water treatment, such as by heterogeneous photocatalysis, it is possible to reduce water pollution by degrading pollutants. In this work, the elaboration of halloysite-TiO2 nanocomposites fibers by combining sol-gel and electrospinning method have been performed to elaborate highly catalytic material with great stability. The halloysite (HNTs) used was extracted from Tamra (NW Tunisia). In the first part of this thesis, TiO2-based composite nanofibers with a large amount of HNT (95%) were successfully prepared by combining the sol-gel and electrospinning methods with the aim of obtaining a good catalyst for acetaminophen degradation. In the second part, we combined electrospinning and treatment under nitrogen to produce N-HNT-TiO2 composite nanofibers and compare their photoactivity with HNT-TiO2. In the last part, we fabricated composite nanofibers by including controlled amounts of boron nitride (BN) nanosheets (5%), titanium oxide (TiO2) nanofibers and halloysite nanotubes (HNT) to improve the photocatalytic activity of acetaminophen under visible light and compared the obtained results with HNT-TiO2. The morphological and structural properties of all synthesized nanostructures were investigated by several characterization techniques such as X-ray diffraction (XRD), scanning and transmission electron microscopy (SEM/TEM), Raman spectroscopy, Brunauer-Emmett-Teller method (BET), and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The results confirmed halloysite incorporation into TiO2 nanofibers. The results show that the chemical and physical properties have a high impact on the photocatalytic properties of the synthesized hybrids and confirmed the incorporation of halloysite into TiO2 nanofibers. Moreover, it was found that the doping effect lead to a more efficient charge separation in the photocatalyst, which is an advantage for photocatalytic activities. In addition, methylene blue (MB) and acetaminophen (ACT) were used as model pollutants in degradation experiment. A significant enhancement and a long-term stability in the photocatalytic activity were observed with the doped materials compared to the non-doped ones under visible light. A better understanding of the photocatalytic oxidation pathways (based on by-product analysis) coupled with toxicity tests (Vibrio fischeri., Microtox) was investigated. The results indicate that BN/TiO2/HNT present interesting photocatalytic properties for both organic compound degradation and bacterial removal.