Étude par Time Resolved Microwave Conductivity de photocatalyseurs pour la dépollution de l’eau

par Alexandre Hérissan

Thèse de doctorat en Chimie

Sous la direction de Christophe Colbeau-Justin.

Soutenue le 16-11-2015

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes (Orsay, Essonne) , en partenariat avec Université Paris-Sud (établissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire de chimie physique (Orsay, Essonne) (laboratoire) .


  • Résumé

    La photocatalyse se base sur l’excitation d’un semi-conducteur par des photons d’énergie supérieure ou égale à son gap, générant des paires électron-trous. Celles-ci sont très réactives et susceptibles de réagir à l’interface pour réaliser par exemple l’oxydation totale d’un composé organique. Cette méthode peut être appliquée sur des eaux usées pour éliminer totalement les polluants organiques qui y sont présents. Dans la perspective d’une utilisation du soleil comme source de lumière, cette méthode peut s’avérer très économique et écologique pour le traitement de l’eau.L’interaction lumière-semi-conducteur et la dynamique des porteurs de charge sont des processus physico-chimiques primordiaux pour la photocatalyse, et il est nécessaire de bien les comprendre pour maîtriser le procédé et développer des matériaux plus efficaces. La Time Resolved Microwave Conductivity (TRMC) est une technique qui se base sur la réflexion des micro-ondes sur un semi-conducteur excité qui est directement reliée avec le nombre de porteurs de charge photo-générés. Il s’agit d’un moyen de sonder en temps réel la dynamique des porteurs de charge dans les semi-conducteurs.Ce travail s’inscrit dans le cadre du projet ANR PhotoNorm. Il consiste en une étude par TRMC de dioxyde de titane TiO2 utilisé pour la dépollution de l’eau par photocatalyse. Une partie de cette étude concerne la caractérisation des propriétés opto-électroniques des matériaux, pour lesquels la dynamique des porteurs de charge sera comparée à l’activité photocatalytique. L’effet bénéfique en photocatalyse de la déposition de nanoparticules d'or, d'argent ou bimetallique or-cuivre sur des TiO2 commerciaux sera relié à une capture d’électrons libres observée en TRMC. L’effet bénéfique sur la photocatalyse en lumière visible a été relié à une injection d’électrons dans le TiO2 par des nanoparticules de bismuth. L’autre partie de ce travail consiste en une étude plus fondamentale de la dynamique des porteurs de charge dans des TiO2 commerciaux ou synthétisés dans le cadre du projet PhotoNorm. Il y sera montré l’importance de la longueur d’onde et de l’intensité d’excitation du matériau sur le rendement de génération de porteurs de charge. L’importance des effets de surface et de l’environnement seront aussi mis en évidence de plusieurs façons. La première consiste simplement en un traitement chimique de la surface (lavage), qui peut avoir une grande influence à la fois sur la dynamique des porteurs de charge et sur la photocatalyse, sûrement en lien avec la présence d’impuretés de surface. La seconde consiste à imprégner le TiO2 par des colorants organiques présentant une forte absorption en lumière visible. Les mesures de TRMC sur ces systèmes permettent de mettre en évidence l’interaction entre le semi-conducteur et les molécules extérieures adsorbées à sa surface, notamment l’injection d’électrons du colorant excité vers le semi-conducteur, mais aussi des effets de recombinaison accrus. La troisième méthode consiste à modifier l’atmosphère de travail en TRMC. Il y est observé notamment l’importance de l’oxygène sur la dynamique des porteurs de charge, et notamment les effets de captures d’électrons, phénomènes qui entrent en jeu dans le processus de photocatalyse.Au final, la TRMC s’avère être un bon moyen d’étude de la durée de vie des porteurs de charge dans les semi-conducteurs, qui peut permettre de mieux comprendre les processus fondamentaux associés à la photocatalyse.

  • Titre traduit

    Study by Time Resolved Microwave Conductivity of photocatalysts for wastewater treatment.


  • Résumé

    The photocatalysis is based on the excitation of semiconductor by photons with an energy superior or equal to the gap, generating electron-hole pairs. These are very reactive and able to react at the interface, involving for exemple the total oxidation of an organic compound. This method can be used on wastewater to eliminate the organic pollutants. With a view to use the sun as a light source this method may become an economical and ecological way for the water treatment. Light interaction between light and semiconductor and the charge-carrier dynamics are fundamental processes for photocatalysis and it is necessary to understand them in order to manage with this process and develop more efficient materials. The Time Resolved Microwave Conductivity (TRMC) is a method based on the reflexion of microwaves on an excited semiconductor which is linked to the number of photo-generated charge-carriers. This method allows us to probe in real time the charge-carrier dynamics in semiconductor. This work is included in the ANR Photonorm project. It consists in a TRMC study on titanium dioxyde TiO2 used for water depollution by photocatalysis. One part of this study consists in the characterization of the opto-electronic properties of materials for which the charge-carrier dynamics will be compared with the photocatalytic activity. The beneficial effect of nanoparticles deposition of gold, silver or gold-copper bimetallics on commercial TiO2 will be linked to the observation of free electrons observed by TRMC . The beneficial effect on photocatalysis in visible light was linked to an electron injection in TiO2 by bismuth nanoparticles. The second part of this work consists in a more fundamental study of charge-carrier dynamics on commercial or synthetized for the Photonorm project. I will be shown the importance of excitation wavelength and intensities on charge carrier generation. The importance of surface effect and environment will be emphasized by several ways. The first one just consist in surface treatment which can have a major importance on charge-carrier dynamics and photocatalysis, probably in connection with the presence or not of impurities on the surface. The second way consists in impregnating TiO2 by organic dyes which show a strong visible light absorption. The TRMC measurements highlight the interaction between the adsorbed molecules and the semiconducteur, including the electron injection from the excited dye to the TiO2 but also an increased recombination effect. The third method consist in modified the working atmosphere in TRMC. The major role of oxygen is so observed on charge-carrier dynamics, with an effect of electron capture, involving in photocatalytic mechanism.Finally TRMC proves to be a convenient method for studying charge-carrier dynamics in semiconductors, which allow a better understanding of fundamental processes bound to photocatalysis.


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