Relation entre la structure et les propriétés fonctionnelles des revêtements de TiO2 sur les substrats métalliques

Relation between structure and properties of TiO2 coatings on metallic substrates

• Auteur / Autrice : Aneesha Mary Varghese
• Direction : Pierre Alphonse, Claire Tendero
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science et génie des matériaux
• Date : Soutenance le 19/04/2012
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Inter-universitaire de Recherche et d’Ingénierie des Matériaux (Toulouse ; 1999-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photocatalyse

Oxyde de titane

Mots clés libres

TiO2

Photocatalyse

Plan d'expérience

Analyse en composantes principales

Thin films

Titanium dioxide

Sol-gel

Cvd

Photocatalysis

Design of experiments

Principal component analysis

Résumé

L'objectif de cette étude était de réaliser des revêtements de TiO2 présentant une large variété de morphologies et d'établir des corrélations entre la structure de ces couches et leurs propriétés fonctionnelles, notamment la photocatalyse. Deux voies de synthèse employant le même précurseur, le tétra-isopropropoxide (TTIP) de titane, ont été utilisées, le procédé sol-gel et le dépôt chimique en phase vapeur (MOCVD). L'emploi de ces deux techniques permet de produire TiO2 sous une large gamme de morphologies mais avec des variétés polymorphiques similaires. Les revêtements synthétisés ont été caractérises afin de déterminer leur composition polymorphique, la taille des cristallites, la surface spécifique, la rugosité et l'épaisseur. Puis leur activité photocalytique pour la dégradation du bleu de méthylène a été déterminée. Par voie sol-gel, des dispersions de nano-cristallites de TiO2 dans l'eau, stables sur une longue durée (plus d'un an) en termes de composition polymorphique, taille d'agglomérats et de cristallites ont été synthétisées. Les revêtements ont été réalisés par tape-casting et dip-coating. Pour la synthèse en MOCVD, un plan d'expérience (PeX) a été utilisé, à notre connaissance pour la première fois. Il a permis de déterminer, d'une manière efficace et économique (avec un nombre minimum de tests expérimentaux), les paramètres les plus importants du procédé contrôlant les diverses propriétés quantifiables du revêtement. Il a aussi permis de mettre en évidence les interactions entre les paramètres de synthèse et leur effet sur la structure du revêtement. Les conclusions tirées du PeX sont en accord avec les résultats obtenus lors des études précédentes. L'analyse en composantes principales (ACP) a été réalisée pour avoir une vue globale de la façon dont les diverses propriétés des revêtements sont reliées entre elles.

The overall objectives of this study was to find an environmental-friendly and simple procedure to synthesize titanium-dioxide, as well as, to determine the relation between the structural and functional properties of titanium dioxide coatings. Both of these objective have been attained in this study. By the sol-gel technique, titanium dioxide sols were synthesized by the hydrolysis of titanium(IV)isopropoxide. Nanocrystalline dispersions of TiO2 in water were prepared that were suitable for coatings and having long-term stability (more than 1 year) in terms of polymorphic composition, crystallite and agglomerate size. A design of experiments (DoE) was utilised, to our knowledge, for the first time in MOCVD for the synthesis of TiO2 coatings. It was employed to determine, in a timely and economical manner, the most significant process parameters for any quantifiable property of the coating and to highlight the interaction between these operating parameters, as well as, the correlation between the structure of the coating and the process. The conclusions drawn from the DoE were compared to results obtained by previous studies and were found to concur. Therefore, the DoE was successful in screening the most important process parameters, with a minimum number of experimental trials. For most of the properties that were under investigation, the DoE showed that, the deposition temperature and reactor pressure were, often-times, the most significant. Therefore, to change the microstructure and composition of MOCVD coatings, changing these process parameters will ensure the highest impact. It has to be stressed that the conclusions drawn from the DoE are restricted to the experimental range that was under investigation. Principal Component Analysis (PCA) was conducted to have an overall view of how the different properties of the coatings related with one another. The interpretations made from this analysis were that the photocatalytic (PC) activity of the coatings produced did not relate strongly to the polymorphic composition, which is contrary to literature review and is explained to be a result of the different morphologies that lead to different porosities and specific surface area. The PC activity did not depend on the mass over a critical mass. With this analysis it appeared to be clear that the porosity and specific surface area played a larger role than polymorphic composition. This hypothesis has to be verified because we did not succeed in determining the specific surface area of our coatings during this study. However, some preliminary tests have been conducted showing that cyclic voltametry could be used to evaluate the surface area of our films