Structural design, characterization, and property investigation of iron oxide : nanoparticles with visible light photoactivity

par Song Li

Thèse de doctorat en Sciences des matériaux

Sous la direction de Claude Esling et de Liang Zuo.

Le président du jury était Xiang Zhao.

Le jury était composé de Xudong Sun, Alain Hazotte, Isabelle Morelon, Yudong Zhang, Gaowu Qin.


  • Résumé

    La pollution de l'environnement et l'insuffisance des ressources énergétiques dans le monde constituent deux défis majeurs auxquels l'humanité est confrontée aujourd'hui. La photocatalyse hétérogène de semiconducteur est considérée comme une stratégie prometteuse pour la collecte de l'énergie solaire et la décomposition de contaminants organique dans l'eau et l'air. TiO2 est aujourd'hui le photocatalyseur le plus largement utilisé. Cependant, TiO2 est un semi-conducteur avec une bande interdite d'environ 3.1eV. Donc, il n'absorbe pas la lumière visible. L'oxyde de fer est un bon candidat potentiel pour la photocatalyse : ce matériau est stable, moins cher, respecte l'environnement et il a une bande interdite suffisamment petite (2.1 eV) pour absorber 45% de la radiation solaire incidente. Afin de développer un photocatalyseur efficace de l'oxyde de fer, nous avons préparé des nanoparticules d'oxyde de fer de formes différentes et étudié l'influence des différents paramètres expérimentaux. L'objectif cette thèse est de développer et de caractériser un photocatalyseur à base d'oxyde de fer et hautement photoréactive capable de décomposer les molécules des polluants organiques. Des nanoparticules d'oxydes et d'oxyhydroxyde de fer avec différentes morphologies ont été conçues et synthétisées par la méthode hydrothermale. Dans le système de réaction, des agents de surface avec différents groupes fonctionnels ont été utilisés pour la contrôle de la morphologie. Les effets ont été attribués à l'interaction entre les groupes fonctionnels des agents de surface et des surfaces d'oxyde de fer. Pour élucider les mécanismes de croissance de nanoparticules d'oxyde de fer, une technique en MET basée sur une méthode de trace a été proposée afin de caractériser les plans cristallins et l'orientation de nanoparticules facettées, et donc leurs formes. Les indices de Miller de plans de surface peuvent être déterminé par la transformation de coordonnées après la détermination du vecteur des bords dans les systèmes de coordonnées de l'écran du MET. Dans ce travail, l'orange de méthyl, un représentant colorant azoïque de l'industrie textile, a été pris comme molécule modèle pour les contaminants organiques pour évaluer les capacités photocatalytiques des poudres obtenues. Une étude systématique, y compris l'influence des conditions de réaction et la cinétique, a été effectuée pour étudier le mécanisme de la dégradation photocatalytique de méthylorange à l'oxyde de fer sous irradiation de lumière visible. Il a été constaté que la photodégradation de l'orange de méthyle à l'oxyde de fer est un procédé de photocatalyse de semiconducteur. De plus, les activités photocatalytiques des IV lumières visibles d'oxyde de fer peuvent être harmonisées par le contrôle des morphologies, surtout les indices des facettes des nanoparticules d'oxyde de fer. Les techniques de traitement postérieur ont été utilisées à améliorer la capacité photocatalytique de l’oxyde de fer pour décomposer les molécules des contaminants organiques. Les nanopoudres d’oxyde de fer ont été modifiées par intégration de métaux nobles, par exemple les nanoparticules d'Ag et d'Au. Les résultats des expérimentations photocatalytiques montrent que la capacité des particules métalliques intégrées d'inhiber la recombinaison de la paire de trou électrique dépendent de la position relative entre fonctions travail et la position de la bande de conduction de l'oxyde de fer. Pour surmonter ce problème causé par la courte distance libre des charge dans l'oxyde de fer, des nanobâtonnets ont été préparés. Les résultats indiquent que l'activité photocatalytique de l'oxyde de fer peut être améliorée par l'optimisation microstructurale et la modification surfacique


  • Résumé

    Global environmental pollution and energy issue are considered as two greatest challenges that human society is facing now. Semiconductor photocatalysis is expected as a highly promising strategy for both harvesting solar energy and decomposing unwanted organics in water and air by solar light irradiation. The main problem of TiO2, the most widely studied photocatalyst material by now, is that its band gap is as wide as 3.1 eV, making it absorb only the UV part of the incident solar irradiation. Iron oxide has a proper band gap of about 2.1 eV which lies in the visible region of solar spectrum and allows utilization of 45% of the solar radiation. Together with the environmental compatibility and low cost, iron oxide is considered as a good candidate for visible light photocatalyst. For the purpose of exploiting iron oxide as effective photocatalyst, we have prepared iron oxide nanoparticles of various shapes and investigated their photocatalytic activities. The objective of the present dissertation is to develop and characterize iron oxide photocatalyst which is highly responsive to visible light. Nanostructured iron oxide and oxyhydroxide nanoparticles with various morphologies were designed and synthesized via hydrothermal route. Stabilizer molecules with different capping groups were applied in the reaction system to control the morphology of the final products. The effects attributed to the interaction between capping groups of stabilizer molecules and iron oxide surfaces. To elucidate the growth mechanism of iron oxide particles, a TEM based trace method was proposed to characterize the crystalline planes and directions of a faceted nanoparticle, and therefore its shape. The Miller indices of surface planes can be determined through coordinate transformation after the determination of the edge vectors in the TEM screen coordinate system. Methyl orange, a representative azo dye pollutant in textile industry, was chosen as the model contaminant molecule to evaluate the photocatalytic performance of the obtained powders. A systematic study, including the influence of the reaction conditions, the kinetics and the route of the oxidation of the methyl orange molecules, was carried out to explore the mechanism of photocatalytic degradation of organic molecules over iron oxide under visible light irradiation. It was found that the photodegradation of methyl orange over iron oxide was more like a semiconductor photocatalysis process, rather than a surface reaction process of ligands to metal charge transfer. Moreover, the visible light photocatalytic activities of iron oxide can be tuned by controlling the morphologies, especially the crystallographic facet of the iron oxide nanoparticles. II Post-treatment techniques were adopted to enhance the ability of iron oxide photocatalyst to decompose organic pollutant molecules. The iron oxide nanopowders were modified by loading noble metals, such as Ag and Au nanoparticles. Photocatalytic experimental results showed that the abilities of loaded metal particles to inhibit the electron-hole pair recombination depend on the relative positions between their work functions and conductive band position of the iron oxide. To overcome the problem caused by the short free distance of charge carriers inside iron oxide, nanorod arrays of iron oxide were prepared. The results show that the photocatalytic activity of iron oxides can be improved by microstructure optimization and surface modification


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