Functionalized semiconducting oxides based on bismuth vanadate with anchored organic dye molecules for photoactive applications

par Karolina Ordon

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Abdelhadi Kassiba et de Malgorzata Makowska Janusik.

Soutenue le 28-06-2018

à Le Mans en cotutelle avec l'Université Jan Długosz (Częstochowa, Pologne) , dans le cadre de École doctorale Matériaux, Matières, Molécules en Pays de la Loire (3MPL) (Le Mans) , en partenariat avec Institut des Molécules et Matériaux du Mans (Le Mans) (laboratoire) et de Institut des molécules et des matériaux du Mans / IMMM (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Oxydes Semi-conducteurs à base de bismuth vanadates fonctionnalisés par des colorants organiques pour des applications en photocatalyse


  • Résumé

    La recherche de nouveaux matériaux en tant que photocatalyseurs en lumière visible pour la dépollution de l’environnement (eaux, atmosphères) est un domaine de recherche très actif et suscite l’intérêt d’une large communauté scientifique en Physique, Chimie et Sciences des matériaux. Des recherches exhaustives sont actuellement menées pour améliorer l’efficacité photocatalytique de certaines classes de matériaux photoactifs connus, et pour développer la synthèse de nouveaux matériaux fonctionnels. Dans ce contexte, les semiconducteurs oxydes photoactifs à base de vanadates de bismuth (BiVO4) possédant une bande électronique au milieu du spectre visible, offrent une sérieuse alternative aux photocatalyseurs classiques efficaces (TiO2, ZnO) dont la photo-excitation requiert uniquement la fraction UV du spectre solaire. Le travail effectué dans le cadre de cette thèse est donc dédié aux matériaux à base BiVO4 sous forme d’architectures mésoporeuses ou d’assemblages hybrides associant des groupes organiques à transfert de charges.Deux contributions majeures ont été développées dont la première portant sur la réalisation expérimentale d’architectures mésoporeuses inédites, fonctionnalisées par des groupes organiques sensibilisateurs et l’étude de leurs propriétés électroniques et optiques en vue d’optimiser leurs efficacités photocatalytiques. La deuxième partie porte sur des simulations numériques de nanostructures hybrides par des approches exploitant la méthode DFT, ab-initio ou des modèles de chimie quantique. Des systèmes modèles ont été construits associant des nanoclusters (NC) et des groupes organiques (GO). Les propriétés électroniques et optiques ainsi que les caractéristiques structurelles et vibrationnelles des systèmes (NC-GO) ont été déterminées et confrontées aux données expérimentales. Les phénomènes de transfert de charges impliqués entre les groupes organiques et la structure inorganique ont été caractérisés ainsi que leur rôle dans l’efficacité des réponses photo-catalytiques des systèmes hybrides.


  • Résumé

    The search for new materials as photocatalysts invisible light for the depollution of the environment (waters, atmospheres) is a very active field of research and attracts the interest of a large scientific community in Physics, Chemistry and Materials Science. Recent research developpements are conducted to improve the photocatalytic efficiency of certain classes of known photoactive materials, and to develop the synthesis of new functional materials. In this context, photoactive oxide semiconductors based on bismuth vanadate (BiVO4) having an electronic band in the middle of the visible spectrum, offer a serious alternative to efficient conventional photocatalysts (TiO2, ZnO) whose photo-excitation requires only the UV fraction of the solar spectrum.The work done in this thesis is therefore dedicated toBiVO4-based materials in the form of mesoporous architectures or hybrid assemblies associating organic groups with charge transfer processes. Two major contributions have been developed, one of which is the experimental realization of novel mesoporous architectures, functionalized by sensitizing organic groups and the study of their electronic and optical properties in order to optimize their photocatalytic efficiencies. The second part deals with numerical simulations of hybrid nanostructures using approaches as the DFT method, ab-initio or quantum chemistry codes. Model systems have been constructed associating BiVO4nanoclusters (NC) and organic groups (GO). The electronic and optical properties as well as the structural and vibrational characteristics of the systems (NC-GO) were determined and compared with the experimental data. The charge transfer phenomena involved between the organic groups and the inorganic structure were characterized as well as their role in the efficiency of photo-catalytic responses of hybrid systems.


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