Réactions photocatalytique et sonocatalytique en présence de nanocatalyseurs innovants pour l’énergie et l’environnement

Abstract

Les procédés catalytiques ont été largement étudiés comme une approche prometteuse pour fournir une énergie durable et subvenir au besoin eau potable. Parmi ceux-ci, les procédés photocatalytiques et sonocatalytiques ont été adaptés comme des méthodes efficaces pour atteindre ces deux objectifs. Le facteur clé de ces procédés est l'utilisation de matériaux actifs capables d'éliminer les molécules nocives des eaux usées et de transformer les autres constituants en produits à haute valeur ajoutée. Les matériaux considérés pour les procédés photocatalytiques doivent être actifs sous l'effet de la lumière solaire. A l’heure actuelle, l'accent est mis sur la préparation de photocatalyseurs efficaces et respectueux de l'environnement en utilisant des matières premières abondantes sur Terre. L'un des objectifs de cette thèse est donc de préparer des nanoparticules cœur-coquille Ti@TiO2 exemptes de métaux nobles par traitement sonohydrothermal dans l'eau pure de nanoparticules de titane disponibles dans le commerce. Les propriétés structurelles, chimiques et optiques des nanoparticules cœur-coquille ainsi préparées ont été soigneusement étudiées et comparées à celles des nanoparticules de titane initiales. L'activité de ces particules a été testée pour la production photocatalytique d'hydrogène assistée par la chaleur ainsi que pour la dégradation des polluants sous irradiation lumineuse ou ultrasonore. La production d'hydrogène avec ces particules a été étudiée à partir de solutions aqueuses composées de différents réactifs sacrificiels (alcools, mélange acide carboxylique/amine, et glucose) sous atmosphère inerte et températures contrôlées. Une amélioration de l'activité photocatalytique des nanoparticules de Ti@TiO2 avec l'augmentation de la température du milieu réactionnel (25 °C -95 °C) a été observée dans tous les systèmes étudiés. Le mécanisme du processus photocatalytique a été discuté en considérant les énergies d'activation apparentes ainsi que l'effet isotopique cinétique H/D. En outre, une étude comparative de l'activité de Ti@TiO2 et des nanoparticules initiales de Ti0 pour la dégradation de certains polluants par la lumière et par les ultrasons a également été menée. Nous avons ainsi pu montrer que la présence de la coquille de TiO2 à la surface des nanoparticules de Ti permettait d’augmenter la vitesse de dégradation des molécules complexantes (EDTA) ainsi que celle des colorants organiques (RhB) sous irradiation lumineuse et atmosphère Ar/20% O2. Au contraire, les nanoparticules de Ti0 passivées uniquement sous air ont présenté une activité plus élevée au cours de la dégradation sonocatalytique de l’EDTA que pour les particules cœur-coquille. De plus, à haute fréquence ultrasonore et sous atmosphère Ar/O2, une dégradation sonochimique efficace de la rhodamine B a été observée même sans catalyseur.Catalytic processes have been widely investigated as a promising approach for providing sustainable energy and clean water resources. Among such, photocatalytic and sonocatalytic processes have been adapted as successful methods for fulfilling those two objectives. The key factor to these processes is the use of active materials capable of eliminating harmful molecules from wastewater and transforming others into products of high-added value. Those integrated in photocatalytic processes must be active under solar light. Today’s major focus is the preparation of effective environmentally friendly photocatalysts using earth-abundant raw materials. One of the objectives of this thesis is to prepare noble-metal free Ti@TiO2 core-shell nanoparticles throughout the sonohydrothermal treatment of commercially available titanium nanoparticles in pure water. Structural, chemical and optical properties of the prepared core-shell nanoparticles have been carefully studied and further compared to those of the initial titanium nanoparticles. The activity of these particles has been tested for the thermal-assisted photocatalytic hydrogen production and the degradation of pollutants with either light or ultrasound. Hydrogen production with those particles was tested from aqueous solutions composed of different sacrificial reagents (alcohols, carboxylic acid/amine mixture, and glucose) under controlled temperatures and inert atmosphere. Improved photocatalytic activity of Ti@TiO2 nanoparticles with the increase of temperature (25 °C - 95 °C) was observed in all studied systems. The mechanism of the photocatalytic process has been discussed in terms of apparent activation energies and H/D kinetic isotope effects. In addition, comparative study of the activity of Ti@TiO2 and initial Ti0 nanoparticles towards the degradation of certain pollutants by light and by ultrasound was investigated herein. The presence of TiO2 shell on the surface of Ti nanoparticle s showed enhanced degradation of complexing molecules (EDTA) and organic dyes (RhB) under light in the presence of Ar/20% O2 while higher activity towards sonocatalytic EDTA degradation was observed with air-passivated Ti0 nanoparticles. At high-frequency ultrasound and in the presence of Ar/O2 atmosphere, efficient sonochemical degradation of Rhodamine B has been observed even without catalyst