Photocatalytical degradation study of discrete deposits of stearic acid on titanium dioxide thin films

La photocatalyse laisse entrevoir un large champ d’applications dans de nombreux domaines parmi lesquels figurent principalement ceux du traitement et de la purification de l’eau et de l’air. Ceci constitue une des raisons pour lesquelles les études fondamentales des processus de dégradation des molécules organiques à la surface des photocatalyseurs concernent le plus souvent les phases liquides et gazeuses. Les développements plus récents des applications de la photocatalyse dans le domaine des surfaces autonettoyantes ont soulevé des problématiques fondamentales concernant les mécanismes de dégradation photocatalytique de composés solides tels que les suies et les acides gras. Ces problématiques restent encore peu abordées dans la littérature malgré les enjeux majeurs en terme environnemental et méritent donc des travaux de recherche plus approfondis. Cette thèse porte sur l’étude des modes de dégradation photocatalytique de dépôts solides d’acide stéarique (AS) sur des couches minces de dioxyde de titane. Dans ce travail, des approches expérimentales originales basées sur la microscopie optique sont mises en œuvre pour suivre la dégradation photocatalytique de ces dépôts d’AS à l’échelle microscopique sous exposition à la lumière ultraviolette. Les dépôts d’AS se présentent sous forme d’îlots microscopiques présentant une distribution de taille et de forme. Sur la base d’un nouveau modèle cinétique que nous proposons, le lien existant entre la vitesse de dégradation photocatalytique du dépôt et la distribution de taille initiale de la population d’îlots est mis en évidence. Le modèle cinétique développé permet de rationaliser nos résultats et de concilier d’autres résultats, jusqu’alors contradictoires, de la littérature. Ce travail propose en outre une étude originale sur la dégradation photocatalytique de microcristaux d’AS déposés sur des couches minces de TiO2 microstructurées qui a permis d’appréhender le rôle des radicaux libres dans le processus de dégradation photocatalytique. La démarche expérimentale est basée sur le lien étroit existant entre l’orientation des molécules, inhérente à la structure propre des microcristaux, et les directions des plans cristallographiques {hkl}. Ainsi, nous mettons en évidence une dépendance en {hkl} des vitesses de dégradation des microcristaux qui est justifiée à l’échelle moléculaire par l’affinité des radicaux pour les terminaisons chimiques exposées selon ces plans cristallographiquesPhotocatalysis is widely used in a variety of applications in water and air purification. For those reasons, fundamentals research on the photocatalytical degradation processes of organic compounds on photocatalysts surfaces concern in most cases liquid and gaseous phases. The more recent development of self-cleaning surfaces has raised several issues concerning the mechanisms of photocatalytic degradation of solid deposits such as soot or fatty acids. These issues remain little addressed in the literature and therefore deserve further attention. This thesis work deals with the study of the photocatalytical degradation modes of solid deposits of stearic acid (SA) on the surface of titanium dioxide thin films. In this work, an original experimental approach based on the use of optical microscopy is implemented to monitor, on a microscopic scale, the SA deposits as a function of UV light exposure. Viewed under microscope, the SA deposits appear as microscopic islands presenting size and form distribution. On the basis of a new kinetic model we propose, the existing relationships between the degradation rate of the deposit and the initial size distribution of the islands population is demonstrated. The proposed kinetic model rationalizes our experimental results as well as several others from the literature. Additionally, an original study on the degradation of SA microcrystals, grown on microstructured TiO2 thin films, provides insight into the role of the photogenerated oxygenated radicals in the photocatalytical mechanisms. Furthermore, the anisotropy of the microcrystals structure is put in relation with that of the SA molecules orientations within the microcrystal. This explains the observed {hkl}-dependence of the degradation rate of the microcrystal

Étude de la dégradation photocatalytique sur des couches minces de dioxyde de titane de dépôts solides discrets d’acide stéarique

Photocatalysis is widely used in a variety of applications in water and air purification. For those reasons, fundamentals research on the photocatalytical degradation processes of organic compounds on photocatalysts surfaces concern in most cases liquid and gaseous phases. The more recent development of self-cleaning surfaces has raised several issues concerning the mechanisms of photocatalytic degradation of solid deposits such as soot or fatty acids. These issues remain little addressed in the literature and therefore deserve further attention. This thesis work deals with the study of the photocatalytical degradation modes of solid deposits of stearic acid (SA) on the surface of titanium dioxide thin films. In this work, an original experimental approach based on the use of optical microscopy is implemented to monitor, on a microscopic scale, the SA deposits as a function of UV light exposure. Viewed under microscope, the SA deposits appear as microscopic islands presenting size and form distribution. On the basis of a new kinetic model we propose, the existing relationships between the degradation rate of the deposit and the initial size distribution of the islands population is demonstrated. The proposed kinetic model rationalizes our experimental results as well as several others from the literature. Additionally, an original study on the degradation of SA microcrystals, grown on microstructured TiO2 thin films, provides insight into the role of the photogenerated oxygenated radicals in the photocatalytical mechanisms. Furthermore, the anisotropy of the microcrystals structure is put in relation with that of the SA molecules orientations within the microcrystal. This explains the observed {hkl}-dependence of the degradation rate of the microcrystalsLa photocatalyse laisse entrevoir un large champ d’applications dans de nombreux domaines parmi lesquels figurent principalement ceux du traitement et de la purification de l’eau et de l’air. Ceci constitue une des raisons pour lesquelles les études fondamentales des processus de dégradation des molécules organiques à la surface des photocatalyseurs concernent le plus souvent les phases liquides et gazeuses. Les développements plus récents des applications de la photocatalyse dans le domaine des surfaces autonettoyantes ont soulevé des problématiques fondamentales concernant les mécanismes de dégradation photocatalytique de composés solides tels que les suies et les acides gras. Ces problématiques restent encore peu abordées dans la littérature malgré les enjeux majeurs en terme environnemental et méritent donc des travaux de recherche plus approfondis. Cette thèse porte sur l’étude des modes de dégradation photocatalytique de dépôts solides d’acide stéarique (AS) sur des couches minces de dioxyde de titane. Dans ce travail, des approches expérimentales originales basées sur la microscopie optique sont mises en œuvre pour suivre la dégradation photocatalytique de ces dépôts d’AS à l’échelle microscopique sous exposition à la lumière ultraviolette. Les dépôts d’AS se présentent sous forme d’îlots microscopiques présentant une distribution de taille et de forme. Sur la base d’un nouveau modèle cinétique que nous proposons, le lien existant entre la vitesse de dégradation photocatalytique du dépôt et la distribution de taille initiale de la population d’îlots est mis en évidence. Le modèle cinétique développé permet de rationaliser nos résultats et de concilier d’autres résultats, jusqu’alors contradictoires, de la littérature. Ce travail propose en outre une étude originale sur la dégradation photocatalytique de microcristaux d’AS déposés sur des couches minces de TiO2 microstructurées qui a permis d’appréhender le rôle des radicaux libres dans le processus de dégradation photocatalytique. La démarche expérimentale est basée sur le lien étroit existant entre l’orientation des molécules, inhérente à la structure propre des microcristaux, et les directions des plans cristallographiques {hkl}. Ainsi, nous mettons en évidence une dépendance en {hkl} des vitesses de dégradation des microcristaux qui est justifiée à l’échelle moléculaire par l’affinité des radicaux pour les terminaisons chimiques exposées selon ces plans cristallographique

Simulation of the photocatalytic removal of stearic acid discrete deposits on the surface of a non-porous titania thin film

International audienc

Photodegradation mode of stearic acid crystal on heterogeneous anatase/amorphous titania films observed by differential interference contrast microscopy

International audienceReflected-light differential interference contrast microscopy was used to observe the disappearance of stearic acid crystal (B-polymorph) deposited onto a heterogeneous anatase/amorphous titania film upon ultraviolet light exposure. Microstructural studies of the films demonstrate the formation of anatase microdomains with sub-micrometric size randomly distributed throughout the amorphous surface of the film. The microscopy images reveal that the disappearance of stearic acid crystal is initiated in the immediate vicinity of these microdomains located within the crystal or close to its edges. The stearic acid disappearance proceeds via lateral growth and coalescence of pits in shape of flattened-hexagons showing a preferential orientation with respect to the stearic acid crystal symmetry. This latter fact, which is observed for the first time to the best of our knowledge, is explained by the dependence on crystallographic orientation of the progression rate of the pit edges. To justify the observed photodegradation mode, we first invoke the ultraviolet-induced formation of radical species at the anatase microdomains and their diffusion towards the pits edges. Then, the geometry and the preferential orientation of the pits are discussed in terms of anisotropy of intermolecular interactions within the crystal. These results suggest that the energy barrier seen by the radical species reaching the pit edges is correlated to the crystallographic orientation with consequences on the reaction kinetics