Precursors-guided synthesis of upconverting nanomaterials for near-infrared driven photocatalysis

The utilization of solar energy to solve environmental problems such as water detoxification, air purification and hydrogen production has attracted great interest from the scientific community over the last two decades. Solar photocatalysis is an interesting avenue to target all these environmental issues. Currently, technologies do not yet allow for the efficient use of a significant portion of the solar spectrum, namely the infrared, which corresponds to nearly ~48% of the total solar spectrum. This thesis aims at preparing nanocomposite materials that use these low energy solar photons by converting them into high energy UV and visible photons and then using them for classical photocatalysis. To achieve this, two major aspects of the preparation of this modified photocatalyst were emphasized. Firstly, the synthesis of materials that could efficiently convert currently unused photons and secondly, the preparation of their composite with TiO2, the most widely used photocatalyst.This doctoral thesis focuses on an approach based on "upconversion" in order to extend the range of use of the solar spectrum. To achieve this goal, two optimization strategies were addressed. The optimization of the quantum efficiency of upconversion nanoparticles (UCNPs) using new anhydrous precursors and, the preparation of UCNPs-TiO2 nanocatalyst using metallogels and/or core-shell structures. Finally, we test the objective of using low energy infrared solar photons by performing photocatalysis under IR irradiation only using the platform developed in this workL'utilisation de l'énergie solaire pour résoudre des problèmes environnementaux tels que la détoxification de l'eau, la purification de l'air et la production d'hydrogène a suscité un grand intérêt de la part de la communauté scientifique au cours des deux dernières décennies. La photocatalyse solaire est une piste intéressante pour cibler toutes ces questions environnementales. Actuellement, les technologies ne permettent pas encore d'utiliser efficacement une partie importante du spectre solaire, à savoir l'infrarouge, qui correspond à près de ~48 % du spectre solaire total. Cette thèse vise à préparer des matériaux nanocomposites qui utilisent ces photons solaires à faible énergie en les convertissant en photons UV et visibles à haute énergie et en les utilisant ensuite pour la photocatalyse classique. Pour y parvenir, l'accent a été mis sur deux aspects majeurs de la préparation de ce photocatalyseur modifié. Premièrement, la synthèse de matériaux qui pourraient convertir efficacement les photons actuellement inutilisés et deuxièmement, la préparation de leur composite avec TiO2, le photocatalyseur le plus largement utilisé. Cette thèse de doctorat se concentre sur une approche basée sur l’ « upconversion » afin d’étendre la gamme d'utilisation du spectre solaire. Pour atteindre cet objectif, deux stratégies d’optimisation ont été abordée. L’'optimisation du rendement quantique des nanoparticules à upconversion en utilisant de nouveaux précurseurs anhydres et, la préparation de photo-catalyseur nanocomposite UCNPs-TiO2 en utilisant des métallogels et/ou des structures coeur-coquille. Pour finir nous testons l’objectif de l'utilisation des photons solaires infrarouges à faible énergie en réalisant une photocatalyse sous irradiation IR uniquement en utilisant la plate-forme développée dans ce travai