Elaboration de nanoparticules d'oxydes métalliques mixtes pour des applications en photocatalyse

Elaboration of mixed metal oxide nanoparticles for applications in photocatalysis

• Auteur / Autrice : Miguel Sanchez Mendez
• Direction : Andrei Kanaev
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des materiaux
• Date : Soutenance le 03/12/2021
• Etablissement(s) : Paris 13
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Galilée (Villetaneuse, Seine-Saint-Denis)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Propriétés Mécaniques et Thermodynamiques des Matériaux (....-2010)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mounir Ben Amar, Christophe Colbeau-Justin, Mehrdad Nikravech, Alex Lemarchand, Mamadou Traore
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anatole Khodan, Samar Issa

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photocatalyseurs

Titane

Vanadium

Nanoparticules

Nucléation

Mots clés libres

Nanoparticules d'oxo-Alcoxy de vanadium-Titane

Réacteur à micromélange rapide

Mesures de taille in situ

Nano-films de V-TiO2 anatase

Vanadium-Titanium oxo

Rapid micromixing reactor

Nucleation-Growth process

Résumé

Ce travail de thèse porte sur la synthèse de nanoparticules d'oxo-alcoxy mixtes de vanadium et de titane (VTOA) de taille et de composition chimique contrôlées, la préparation de dépôts (film mince) photocatalytiques à partir de ces nanoparticules et l'étude de leurs propriétés photocatalytiques. La synthèse a été réalisée par la méthode sol-gel dans un réacteur chimique de laboratoire à micromélange ultra-rapide. La taille des particules a été contrôlée in situ  par des méthodes de diffusion dynamique/statique de la lumière. À une teneur relativement faible en vanadium =10 % molaire, l'analyse a montré la nucléation de particules mixtes VTOA de 2,1 nm de rayon. Nous avons montré que les espèces oxo-alcoxy de titane (TOA) apparaissent en premier et servent de centres d'attraction pour les espèces oxo-alcoxy de vanadium (VOA) hydrolysées au stade de la nucléation. En revanche, à une teneur élevée en vanadium >20 mol%, les espèces VOA percolent en emprisonnant les subnuclei de TOA, empêchant ainsi l'apparition de nanoparticules : ceci est lié aux capacités d'hydrolyse plus fortes et de condensation plus faibles des espèces VOA par rapport aux TOA. Le traitement thermique des poudres de VTOA a été étudié dans la gamme de températures 300-1000 °C. L'analyse TGA-TDA a montré une dépendance significative de la température d'apparition de la phase anatase par rapport à la teneur en vanadium, ce qui soutient l'insertion parfaite des atomes de Vanadium dans la matrice hôte TiO2. Les analyses DRX et Raman ont mis en évidence l'apparition de la phase a-V2O5 orthorhombique, ce qui pourrait indiquer un phénomène de ségrégation du matériau V-TiO2. L'analyse Rietveld des diffractogrammes n'a mis en évidence aucune déviation significative des paramètres structuraux de l'anatase. Les nano-films photocatalytiques sur les billes de verre ont été préparés par une méthode de déposition en phase liquide à partir des suspensions colloïdales de nanoparticules VTOA, suivi par un traitement thermique approprié (450 °C, 4 h). L'activité photocatalytique des dépôts a été étudiée dans l'UV et dans le visible sous illumination par une lampe UVA (=365 nm, 8 W) et visible (>390 nm, 50 W) : la cinétique de décomposition du bleu de méthylène a été suivie. Les processus photolytiques et photocatalytiques ont été distingués. Les meilleures performances sous les éclairages UVA et Visible ont été montrées pour des photocatalyseurs V-TiO2 avec respectivement 2 mol% et 10 mol% de vanadium

The PhD study is focused on synthesis of mixed vanadium-titanium oxo-alkoxy (VTOA) nanoparticles with size and composition control, preparation of photocatalytic coatings of these nanoparticles and study of their photocatalytics properties. The synthesis was carried out via sol-gel method in a laboratory chemical reactor with ultra-rapid micromixing. The particles size was monitored in-situ using dynamic/static light scattering methods. At relatively low vanadium content =10 mol% the analysis showed the nucleation of mixed VTOA particles of 2.1 nm radius. We showed that titanium oxo-alkoxy (TOA) species appear first and serve to be centers of attraction for hydrolysed vanadium oxo-alkoxy (VOA) species at the nucleation stage. In contrast, at high vanadium content >20 mol%, VOA species percolate by imprisoning sub-nucleus TOA species prohibiting the nanoparticles appearance: this is connected to stronger hydrolysis and weaker condensation abilities of VOA species compared to TOA. The heat treatment of VTOA powders was studied in the range of temperatures 300-1000 °C. The TGA-TDA analysis showed a significant dependence of the anatase phase onset temperature on vanadium content, which supports perfect insertion of V atoms into host TiO2 matrix. The XRD and Raman analyses evidenced the appearance of orthorhombic a-V2O5, which could indicate the V-TiO2 material segregation phenomenon. The Rietveld analysis of XRD patterns evidenced no significant deviation of the anatase structure parameters. The photocatalytic nanocoating on glass beads were prepared by liquid colloid deposition of VTOA nanoparticles followed by their appropriate heat treatment (450 °C, 4 h). The photocatalytic activity was studied under illuminations with UVA (?=365 nm, 8 W) and visible (?>390 nm, 50 W) lamps: the methylene blue decomposition kinetics was monitored. The photolytic and photocatalytic processes were distinguished. The best performance under UVA and Visible light illuminations showed V-TiO2 photocatalysts with respectively 2 mol% and 10 mol% vanadium