Élaboration de matériaux photocatalytiques par dépôt de couches atomiques (ALD)

En raison de la contamination croissante de nos ressources en eau naturelles par une large gamme de micropolluants organiques (PMO), il est nécessaire de développer de nouveaux procédés d'oxydation avancés économes en énergie pour le traitement des eaux contaminées par de tels polluants réfractaires.La photocatalyse a attiré beaucoup d'attention, en raison de sa capacité à dégrader les composés organiques toxiques dans les eaux usées en composés non toxiques de l'environnement tels que le CO₂ et l'eau. Parmi les divers matériaux photocatalytiques, le dioxyde de titane (TiO₂) a été largement utilisé en raison de son efficacité photocatalytique élevée, de sa stabilité élevée et de sa faible toxicité. Cependant, la recombinaison de charge rapide et la plage d'absorption étroite dans le spectre UV; limite son efficacité photocatalytique sous irradiation en lumière visible.Dans ce travail, l'élaboration de différentes structures de TiO₂ en combinant deux techniques a été réalisé avec succès. Dans la première partie de cette thèse, des nanofibres de TiO2 ont été synthétisées par électrofilage. Afin d'améliorer l'activité photocatalytique sous lumière visible, un procédé développé basé sur le dépôt de couche atomique (ALD) a été utilisé pour déposer du nitrure de bore (BN) et du palladium (Pd) sur ces fibres. La deuxième partie de ce travail a consisté à élaborer des nanotubes de TiO2 par ALD et comparer leur photoactivité avec les nanofibres de TiO2. Les propriétés morphologiques, structurelles et optiques de tous les matériaux synthétisés ont été étudiées par plusieurs techniques de caractérisation telles que la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR), la microscopie électronique à balayage (MEB), la spectroscopie Raman, la diffraction des rayons X (XRD), la microscopie électronique à transmission (MET) et la spectroscopie photoélectronique aux rayons X (XPS). De même les propriétés optiques et électrochimiques des matériaux ont été évaluées. L'influence des propriétés chimiques et physiques sur la dégradation photocatalytique de l'acétaminophène a été étudiée. Des résultats prometteurs en termes d'amélioration de la dégradation de l'ACT était observée avec le matériau nanocomposite TiO2-BN-Pd par rapport aux fibre de TiO2 vierges. De plus, les nanotubes de TiO2 ont montré une meilleure photoactivité sous lumière visible que les nanofibres. En parallèle, une meilleure compréhension des voies d'oxydation photocatalytique (basée sur l'analyse des sous-produits) couplée à des tests de toxicité (Vibrio Fisheri, Microtox) ont été étudiée.Par conséquent, les catalyseurs immobilisés sont une préoccupation majeure, c'est pourquoi dans la troisième partie de cette thèse, un réacteur pour les membranes photocatalytiques a été conceptualisé. Des membranes céramiques ont été modifiées par ALD et la faisabilité de notre réacteur membranaire a été étudiée. De nombreux travaux sont encore nécessaires pour améliorer ce réacteur afin de répondre aux besoins de montée en gamme.Due to the increasing contamination of our natural water resources by a wide range of organic micropollutant (OMPs), there is a need for developing new energy-efficient advanced oxidation processes for the treatment of water contaminated by such refractory pollutants.Photocatalysis has attracted much attention, due to its ability to degrade toxic organic compounds in wastewater into environmental friendly compounds such as CO₂ and water. Among the various photocatalytic materials, titanium dioxide (TiO₂) has been widely used due to its high photocatalytic efficiency, high stability and low toxicity. However, fast charge recombination and the narrow absorption range in the UV spectrum; limit its photocatalytic efficiency under visible-light irradiation.In this work, the elaboration of different TiO₂ structure by combining two techniques have been performed. In the first part of this thesis, TiO2 nanofibers were synthesized by electrospinning method. In order to improve the photocatalytic activity under visible light, a developed process based on atomic layer deposition (ALD) was used to grow boron nitride (BN) and palladium (Pd) on these fibers. The second part of this work was to elaborate TiO2 nanotubes (NTs) by ALD and compare their photoactivity with TiO2 NFs. The morphological, structural and optical properties of all synthesized materials were investigated by several characterization techniques such as Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), scanning electron microscopy (SEM), Raman spectroscopy, X-ray diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). Moreover, the optical and electrochemical properties of the catalyst have been also assessed. The influence of chemical and physical properties on the photocatalytic degradation of acetaminophen has been investigated. Promising results in enhancement of the degradation of ACT were seen with nanocomposite material TiO2-BN-Pd compared to pristine TiO2 NFs. Moreover, TiO2 nanotubes (NTs) has shown better photoactivity under visible light than TiO2 NFs. In parallel, a better understanding of the photocatalytic oxidation pathways (based on by-product analysis) coupled with toxicity tests (Vibrio Fisheri, Microtox) was investigated.Hence, immobilized catalyst are of major concern, this is why in the third part of this thesis, photocatalytic membrane reactor was conceptualized. Ceramic membranes were modified by ALD and the feasibility of our membrane reactor was studied. Much work is still needed for enhancing the photocatalytic membrane reactor to respond to up-scale needs