Semiconducteurs modifiés en surface par des nanoparticules métalliques : photocatalyseurs avec une grande activité sous lumière solaire

Surface modified semiconductors with metal nanoparticles : photocatalysts with high activity under solar light

• Auteur / Autrice : María Guadalupe Méndez Medrano
• Direction : Hynd Remita, Jose Luis Rodriguez Lopez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 10/05/2016
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE) en cotutelle avec Instituto Potosino de Investigación Científica y Tecnológica (San Luis Potosí, México)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de chimie physique (Orsay, Essonne ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Alma Gabriela Palestino Escobedo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hynd Remita, Jose Luis Rodriguez Lopez, Alma Gabriela Palestino Escobedo, Nancy Brodie-Linder, Isabelle Lampre
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alma Gabriela Palestino Escobedo, Nancy Brodie-Linder

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydrogène

Eau -- Épuration

Nanoparticules

Photocatalyse

Mots clés libres

Semiconducteurs

Nanoparticles metalliques

Photocatalyseurs

Lumiere solaire

Semiconductors

Metal Nanoparticles

Photocatalysts

Solar Light

Résumé

La modification du TiO₂ P25 par un ou deux métaux a connu un intérêt considérable ces dernières années, car ils constituent des catalyseurs et photocatalyseurs très actifs à la fois sous lumière UV et visible. Des nanostructures à un ou deux métaux, comme Au, Ag, Ag@CuO et CuO déposés sur le TiO₂ P25 ont la capacité d’absorber la lumière visible sur un large domaine de longueurs d’onde. Le TiO₂ modifié par des nanoparticules métalliques (comme, Cu, Au ou Ag) absorbe la lumière visible grâce à la résonance de plasmon de surface localisée (LSPR) des métaux. Dans le cas d’une hétérojonction de semi-conducteurs, la lumière visible est absorbée grâce à l’énergie du gap plus faible du second semi-conducteur (par rapport à celle du TiO₂ P25). La modification par une ou deux nanoparticules métallique induit une plus grande activité photocaralytique sous lumière visible par rapport au TiO₂ P25 pur, par transfert d’électrons vers la bande de conduction du P25. De plus sous lumière UV, la vitesse de capture d’électrons photo-excités peut être améliorée, ce qui inhibe les processus de recombinaison et permet de stocker ces électrons photo-excités.Cette thèse présente une synthèse des récentes avancées dans la préparation de TiO₂ modifié en surface par un ou deux métaux et ses applications environnementales. Des nanoparticules d’or ont été synthétisées par une méthode chimique à partir de chlorure de tetrakis(hydroxymethyl) phosphonium (THPC), des nanoparticules de Ag, Ag@CuO et CuO ont été synthétisées sur TiO₂ par radiolyse. L’effet de nombreux paramètres (comme la taille et la forme des particules ou la quantité de métal déposé) sur l’activité photocatalytique (oxydation du phénol, du 2-propanol et de l’acide acétique et génération d’hydrogène) a été étudié. La dynamique de porteurs de charge a été étudiée par conductivité microonde résolue en temps (TRMC).

The modification of TiO₂-P25 with one or two metal-based nanoparticles, have attracted considerable attention in recent years, as a new class of highly active catalysts and photocatalysts under both UV and visible light irradiation. One or two-metal-based structures, such as Au, Ag, Ag@CuO and CuO deposited on TiO₂-P25 have the ability to absorb visible light in a wide spectral range. Surface modified TiO₂ with metal nanoparticles (such as Cu, Au, Ag) absorb visible light due to the localized surface plasmon resonance (LSPR). In the case of semiconductor heterojunctions, they absorb visible light due to the narrow band gap of the second semiconductor, lower than TiO₂-P25. The modification with one or two metal-based nanoparticles induces a higher activity under visible light compared to pure TiO₂-P25, due to the transfer of electrons to the conduction band of TiO₂-P25. On the other hand, under UV irradiation, the speed of trapping photoexcited electrons can be improved, and inhibit the recombination process and have the capability of the storage of photoexcited electrons.This thesis presents recent advances in the preparation and environmental application of the surface modification of TiO₂-P25 with one or two-metal-based nanoparticles: The Au-NPs were synthesized by chemical method using tetrakis(hydroxymethyl) phosphonium chloride (THPC), and the nanoparticles of Ag, Ag@CuO and CuO-NPs were synthesized by gamma irradiation. Moreover, the effects of various parameters (such as particle size, shape of the nanoparticles and amount of metals) on the photocatalytic activity (phenol, 2-propanol and acetic acid oxidation, as well as hydrogen generation) were also studied. The charge carrier dynamics was studied by time resolve microwave conductivity (TRMC).