Photocatalyseurs composites à base de nanostructures de polymères conjugués pour le traitement de l'eau et la séparation de l'eau

Composite Photocatalysts based on Conjugated Polymer Nanostructures for Application in Water Treatment and Water Splitting

• Auteur / Autrice : Girlie Eunice Lopez
• Direction : Hynd Remita, Alireza Ranjbari
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 24/09/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de chimie physique (Orsay, Essonne ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Chimie (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Pierre-Henri Aubert
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sophie Cassaignon, Delphine Schaming, Nicolas Keller, Rachel Méallet-Renault
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sophie Cassaignon, Delphine Schaming
• DOI : 10.70675/d48f05b5zb47bz4db6za638z24f1e234a15a

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photocatalyse

Polymères conjugués

Eau

Décontamination

Peroxyde d'hydrogène

Mots clés libres

Photocatalyse

Polymères

Production de peroxyde d'hydrogène

Traitement de l'eau

Photocatalysis

Polymers

Hydrogen peroxide production

Water treatment

Résumé

Dans la première partie de ce travail, nous avons exploré l'applicabilité du polypyrrole (PPy) en tant que photocatalyseur pour la production d’H₂O₂. Nos résultats ont démontré que les PPy synthétisés par polymérisation radiolytique sont très actifs pour la génération de H₂O₂ sous lumière visible. L'influence de différents paramètres sur la formation d' H₂O₂ en présence du PPy a été étudiée pour la première fois. En outre, nous avons étudié les voies possibles pour la formation de H₂O₂ par des expériences de piégeage, montrant que H₂O₂ se produit principalement par réduction de l'oxygène. La décomposition et le taux de formation de H₂O dépendent également de la concentration du catalyseur, du pH et de l'intensité lumineuse. Nous avons ensuite étudié l'application de la génération in situ de H₂O pour la dégradation des polluants dans l'eau. Dans cette partie, un nouveau système photo-Fenton auto-entretenu pour le traitement de l'eau, qui combine le g-C₃N₄ ou PPy, un photocatalyseur connu pour la synthèse de H₂O, avec un catalyseur photo-Fenton de ferrite de lanthane (LTFO) substitué par du Ti, est étudié pour améliorer la dégradation des polluants sous l'effet de la lumière solaire. En utilisant le phénol comme polluant modèle, nous montrons que les composites g-C₃N₄ /LTFO et PPy/LTFO présentent une meilleure activité catalytique que les nanomatériaux purs. La caractérisation et l'analyse révèlent que l'interaction synergique entre les composites permet au catalyseur de fonctionner comme un catalyseur de type photo-Fenton en l'absence d'ajout de H2O externe. Les résultats démontrent que l'utilisation d'un composite g-C₃N₄/LTFO dans la réaction photo-Fenton est une approche prometteuse pour un traitement efficace et durable de l'eau à un pH neutre sans apport extérieur de H₂O₂. L'étude ouvre également la voie à d'autres recherches visant à optimiser ces types de composites pour des applications environnementales plus larges. En outre, des résultats préliminaires sur l'utilisation de composites de nanofils g-C₃N₄@ZnO dans la production d'H₂O₂ sont présentés. Les caractérisations ont révélé que les nanofils de ZnO et le g-C₃N₄@ZnO ont été préparés avec succès et seront testés ultérieurement pour les applications souhaitées. Nos résultats ont montré qu'un simple polymère PPy est un matériau prometteur comme candidat pour la production photocatalytique d' H₂O₂ et que le concept de production in situ d'H₂O en utilisant des polymères pour le processus photo-Fenton est un concept intéressant pour les applications de traitement de l'eau.

In the first part of this work, we explored the applicability of polypyrrole (PPy) as a photocatalyst for H2O2 production. Our results showed that PPy synthesized by radiolytic polymerization are very active for H₂O₂ generation under visible light. The influence of different parameters on H₂O₂ formation over PPy has been studied for the first time. Moreover, we studied the possible pathways for the H₂O₂ formation via scavenging experiments, showing that it predominantly proceeds via oxygen reduction. The decomposition and formation rate of H₂O₂ were also shown to be dependent on the catalyst concentration, pH and light intensity. Then we next studied the application of in situ H₂O₂ generation for water pollutant degradation. In this part, a new self-sustained photo-Fenton system for water treatment, that combines g-C₃N₄ or PPy, a known H₂O₂ synthesis photocatalyst, with a Ti-substituted Lanthanum Ferrite (LTFO) photo-Fenton catalyst, to enhance the pollutant degradation under solar light. Using phenol as model pollutant, we show that the g-C₃N₄/LTFO or PPy/LTFO composite exhibits better catalytic activity. Characterization and analysis reveal that the synergistic interaction between the composite leads the catalyst to operate as photo-Fenton-type catalyst in the absence of any addition of external H₂O₂. The results demonstrate that using a g-C₃N₄/LTFO composite in the photo-Fenton reaction is a promising approach for efficient and sustainable water treatment free of external H₂O₂ at circumneutral pH. The study also opens avenues for further research in optimizing these types of composites for broader environmental applications. In addition, preliminary results on the utilization of g-C₃N₄@ZnO nanowires composites in H₂O₂ production are presented. Characterizations revealed that ZnO naanowires and g-C₃N₄@ZnO are successfully prepared and will be further tested for the desired applications. Our results showed that a simple PPy polymer is a candidate material for photocatalytic H₂O₂ generation and the concept of in-situ H₂O₂ generation using polymers for photo-Fenton process is an interesting concept for water treatment applications.