Photo(électro)catalyseurs supramoléculaires à base de polyoxométallates. Application à la dépollution et au traitement des eaux usées

par Ibrahima Bamba

Projet de thèse en Chimie

Sous la direction de Emmanuel Cadot et de Atheba Patrick.

Thèses en préparation à Paris Saclay en cotutelle avec l'Université Félix Houphouët Boigny (Côte d'Ivoire). , dans le cadre de École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes (Orsay, Essonne ; 2015-....) , en partenariat avec Institut Lavoisier de Versailles (laboratoire) et de Université de Versailles-Saint-Quentin-en-Yvelines (établissement de préparation de la thèse) depuis le 03-09-2018 .


  • Résumé

    Les grandes capitales du continent africain concentrent à elles seules plus de 20% de la population. Par exemple, Abidjan, capitale économique de la Côte d'Ivoire compte environ 5 millions d'habitants et fait partie des agglomérations les plus peuplées d'Afrique de l'ouest. Ces métropoles sont de plus en plus confrontées à des défis environnementaux et sanitaires considérables liés à la dépollution des eaux usées avant leur rejet dans le milieu naturel. Toujours à Abidjan, la majeure partie des industries localisées dans le périmètre urbain rejettent les déchets industriels (dont les eaux usées), sans traitement préalable. Aux rejets industriels, s'ajoutent les effluents provenant d'une part des foyers et d'autre part des centres de santé. Ainsi, l'accumulation de ces eaux usées engendre des problèmes environnementaux et de santé publique. Face ce défi sanitaire et environnemental, il s'avère donc nécessaire de développer en amont des remèdes surs, propres et efficaces pour limiter les pollutions irréversibles des nappes phréatiques et des cours d'eaux. Nous proposons en amont d'entamer des recherches fondamentales pour apporter des solutions à ces problèmes environnementaux qui dépassent le simple périmètre des capitales africaines. L'approche (supra)moléculaire pour la conception d'électro(photo)catalyseurs efficaces pour la dépollution d'effluents aqueux est une voie prometteuse. Elle permet d'assembler des unités de construction complémentaires et fonctionnelles selon des architectures hiérarchisées et des interactions intermoléculaires dirigées. Dans ce contexte, nous proposons d'élaborer une nouvelle génération d'électro(photo)catalyseurs actifs pour la dégradation des polluants organiques et minéraux et construits à partir d'unités moléculaires inorganiques et organiques complémentaires, déposées ou non sur un matériaux support. Il s'agit de polyoxométallates (POMs) associé à un photosensibilisateur moléculaire ou bien immobilisé sur un matériaux conducteur (matrice carbonée) ou semi-conducteur (photo-électrode de TiO2 nanostructurée ou nanoparticules de TiO2). Dans ce type de systèmes, le polyoxométallate (noté POM) assure la fonction de relai électronique entre le photosensibilisateur (noté PS) et l'oxydant primaire (ici, le dioxygène). Enfin, les processus d'assemblage entre le photosensibilisateur moléculaire (des clusters octaédriques ou des systèmes plus classiques comme des complexes de coordination à base Ru ou Ir) seront étudiés en solution par un ensemble de techniques disponibles au Laboratoire (RMN multinoyaux, spectroscopie IR, UV-vis, ESI-Mass, électrochimie…). Les études des propriétés optiques (mesures de luminescence, spectroscopie des états transitoires) seront développées dans le cadre de collaboration avec une équipe de Rennes (Laboratoire International Associé CLUSPOM) ou dans le cadre du réseau local LABEX CHARMMMAT ou du GDR-CNRS PES (Photo-Electro-Stimulation). Les études photo-(électro)-catalytiques seront réalisées à l'ILV. La thèse portera sur la préparation, la caractérisation (liquide et solide) et sur l'étude des propriétés catalytiques des systèmes PS - POM. Plusieurs types de photosensibilisateurs (à base rhénium, molybdène, Ru ou IR) seront mis en présence de différents polyoxotungstates (type Képlerate, Keggin, Dawson ou autres, à base de V, Mo ou W) catalytiquement actifs pour la réduction du dioxygène. Enfin, un troisième constituant (une entité organique choisie pour ses propriétés topotactiques) interviendra pour diriger les interactions POM•••PS. Ces systèmes à trois constituants seront caractérisés en solution aqueuse par RMN multinoyaux afin d'identifier la nature des interactions supramoléculaires. Par ailleurs, des mesures ITC (titration calorimétrique isotherme) seront réalisées afin d'extraire les grandeurs thermodynamiques relatives à ces associations supramoléculaires. L'obtention de phases cristallisées permettra l'analyse structurale par diffraction des rayons X et fournira les premiers modèles indispensables pour valider les études en solution. L'ensemble des techniques de routine disponibles au laboratoire (ESI-masse, infrarouge, UV-vis, analyse thermique, EDX et électrochimie) sera mis à la disposition de ce projet. Enfin, les tests de photocatalyse et électrocatalyse seront réalisés au laboratoire (ILV) sur un ensemble de réactions modèles.

  • Titre traduit

    Polyoxométalate-based supramolecular photo-(electro)-catalysts. Application to depolltion processes of aqueous waste.


  • Résumé

    Les grandes capitales du continent africain concentrent à elles seules plus de 20% de la population. Par exemple, Abidjan, capitale économique de la Côte d'Ivoire compte environ 5 millions d'habitants et fait partie des agglomérations les plus peuplées d'Afrique de l'ouest. Ces métropoles sont de plus en plus confrontées à des défis environnementaux et sanitaires considérables liés à la dépollution des eaux usées avant leur rejet dans le milieu naturel. Toujours à Abidjan, la majeure partie des industries localisées dans le périmètre urbain rejettent les déchets industriels (dont les eaux usées), sans traitement préalable. Aux rejets industriels, s'ajoutent les effluents provenant d'une part des foyers et d'autre part des centres de santé. Ainsi, l'accumulation de ces eaux usées engendre des problèmes environnementaux et de santé publique. Face ce défi sanitaire et environnemental, il s'avère donc nécessaire de développer en amont des remèdes surs, propres et efficaces pour limiter les pollutions irréversibles des nappes phréatiques et des cours d'eaux. Nous proposons en amont d'entamer des recherches fondamentales pour apporter des solutions à ces problèmes environnementaux qui dépassent le simple périmètre des capitales africaines. L'approche (supra)moléculaire pour la conception d'électro(photo)catalyseurs efficaces pour la dépollution d'effluents aqueux est une voie prometteuse. Elle permet d'assembler des unités de construction complémentaires et fonctionnelles selon des architectures hiérarchisées et des interactions intermoléculaires dirigées. Dans ce contexte, nous proposons d'élaborer une nouvelle génération d'électro(photo)catalyseurs actifs pour la dégradation des polluants organiques et minéraux et construits à partir d'unités moléculaires inorganiques et organiques complémentaires, déposées ou non sur un matériaux support. Il s'agit de polyoxométallates (POMs) associé à un photosensibilisateur moléculaire ou bien immobilisé sur un matériaux conducteur (matrice carbonée) ou semi-conducteur (photo-électrode de TiO2 nanostructurée ou nanoparticules de TiO2). Dans ce type de systèmes, le polyoxométallate (noté POM) assure la fonction de relai électronique entre le photosensibilisateur (noté PS) et l'oxydant primaire (ici, le dioxygène). Enfin, les processus d'assemblage entre le photosensibilisateur moléculaire (des clusters octaédriques ou des systèmes plus classiques comme des complexes de coordination à base Ru ou Ir) seront étudiés en solution par un ensemble de techniques disponibles au Laboratoire (RMN multinoyaux, spectroscopie IR, UV-vis, ESI-Mass, électrochimie…). Les études des propriétés optiques (mesures de luminescence, spectroscopie des états transitoires) seront développées dans le cadre de collaboration avec une équipe de Rennes (Laboratoire International Associé CLUSPOM) ou dans le cadre du réseau local LABEX CHARMMMAT ou du GDR-CNRS PES (Photo-Electro-Stimulation). Les études photo-(électro)-catalytiques seront réalisées à l'ILV. La thèse portera sur la préparation, la caractérisation (liquide et solide) et sur l'étude des propriétés catalytiques des systèmes PS - POM. Plusieurs types de photosensibilisateurs (à base rhénium, molybdène, Ru ou IR) seront mis en présence de différents polyoxotungstates (type Képlerate, Keggin, Dawson ou autres, à base de V, Mo ou W) catalytiquement actifs pour la réduction du dioxygène. Enfin, un troisième constituant (une entité organique choisie pour ses propriétés topotactiques) interviendra pour diriger les interactions POM•••PS. Ces systèmes à trois constituants seront caractérisés en solution aqueuse par RMN multinoyaux afin d'identifier la nature des interactions supramoléculaires. Par ailleurs, des mesures ITC (titration calorimétrique isotherme) seront réalisées afin d'extraire les grandeurs thermodynamiques relatives à ces associations supramoléculaires. L'obtention de phases cristallisées permettra l'analyse structurale par diffraction des rayons X et fournira les premiers modèles indispensables pour valider les études en solution. L'ensemble des techniques de routine disponibles au laboratoire (ESI-masse, infrarouge, UV-vis, analyse thermique, EDX et électrochimie) sera mis à la disposition de ce projet. Enfin, les tests de photocatalyse et électrocatalyse seront réalisés au laboratoire (ILV) sur un ensemble de réactions modèles.