Photocatalyseur à base de TiO2 préparé via la méthode sol-gel assistée par des additives contenant P et F : applications vers la dégradation de MEK et l’élimination des bactéries en surfaces

TiO2 photocatalysts prepared via a sol-gel route assisted by P- and F- containing additives : applications to the degradation of MEK and to the elimination of bacteria on surfaces

• Auteur / Autrice : Yige Yan
• Direction : Valérie Keller
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 25/10/2016
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences chimiques (Strasbourg ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Chimie et Procédés pour l'Energie, l'Environnement et la Santé (Strasbourg ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Chantal Guillard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lydie Ploux, Nicolas Keller
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-François Hochepied, Thierry Jouenne

Mots clés

Mots clés contrôlés

Semiconducteurs organiques

Biocides

Sol-gel, Procédé

Oxydation catalytique

Catalyseurs au titane

Photocatalyse

Mots clés libres

Photocatalyse

TiO2

Synthese

Sol-gel

Phosphore

Fluor

Liquide ionique

MEK

Bactérie

Photocatalysis

TiO2

Synthesis

Sol-gel

Phosphorus

Fluorine

Ionic liquid

MEK

Bacteria

Résumé

L'objectif de ce travail est de synthétiser des nanomatériaux de TiO2 pour la dégradation des COV et pour l'élimination des bactéries en surface. Tout d'abord, basé sur une synthèse des matériaux de TiO2 avec la présence d’un liquide ionique BmimPF6 par une voie sol-gel modifiée, les rôles de deux éléments constitutifs de BmimPF6 (P et F) ont été étudiés en faisant remplacer BmimPF6 par des additives contenant P et F. Par rapport à la référence P25 et aux matériaux de TiO2 synthétisés sans additif, le TiO2 synthétisé en présence de P a déjà montré une meilleure cristallinité en phase anatase avant la calcination, et une surface spécifique élevée et une petite taille moyenne des cristaux étaient maintenus même après calcination. Ces propriétés étaient similaires aux échantillons TiO2 synthétisés en présence de BmimPF6; Tandis que les cristaux de TiO2 en présence de F ont montré une forme anisotrope pendant le murissement de la synthèse. Les évaluations de l'activité photocatalytique des photocatalyseurs ont ensuite été réalisées. Par rapport au TiO2 synthétisé sans additif et au TiO2 P25, les matériaux de TiO2 à faible teneur en P et F ("PANaF") ont présenté une activité plus élevée sous irradiation UVA à la dégradation d'un COV modèle, Méthyléthylcétone (MEK) en phase gazeuse. Le même matériau a également montré une activité anti-bactérienne en surface plus élevée sous UVA contre plusieurs souches de différentes espèces bactériennes dans liquide par rapport à celles de P25. Une corrélation entre la performance photocatalytique élevée et les propriétés des matériaux pour TiO2 "PANaF" a été finalement proposée. Les influences de la présence de PO43- en bulk ou en surface de TiO2, de la concentration d’O2 dissous dans le milieu et de la topologie de surface des photocatalyseurs sur l'activité photocatalytique éteint également sujets de discussion. Le produit "PANaF" présente un intérêt pour l'élaboration industrielle à cause des réactifs pas cher et son performance élevée.

The objective of this work consists in synthesizing TiO2 nanomaterials designed for the degradation of VOCs and for the elimination of bacteria on surface. Firstly, based on a synthesis of a BmimPF6-ionic liquid-derived TiO2 material through a modified sol-gel route, the roles of two constituent elements of BmimPF6 (P and F) have been investigated by replacing BmimPF6 with P- and F- contained additives. Comparing to the reference P25 and additive-free-derived TiO2 materials, P-derived TiO2 showed already well crystallized anatase phase before calcination and a high surface area along with a small mean crystal size even after calcinations. Those properties were similar to that synthesized with the presence of BmimPF6; while F-derived TiO2 crystals showed anisotropic shape during the aging step of the synthesis. Evaluation of the photocatalytic activity of the photocatalysts has been performed then. Compared to additive-free derived TiO2 and the TiO2 P25, P- and F- derived TiO2 materials with low P and F content (“PANaF”) showed higher activity under UVA in terms of gas-phase degradation of a model VOC, Methl Ethyl Ketone (MEK). The same material also showed higher surface anti-bacterial activity under UVA in liquid against several strains of different bacterial species over that of P25. A correlation between the high photocatalytic performances with the material properties for “PANaF” TiO2 materials was finally proposed. The influences of the presence of bulk or surface PO43-, dissolved O2 concentration and surface topology on photocatalytic activity were also discussed. The cheap replacement additives used and the resulted high activity of “PANaF” TiO2 nanomaterials presents interest for industrial elaboration.