| Titre : |
SYNTHÈSE DES COUCHES MINCES DU BIVO4 SUR DU TiO2 POREUX PAR ABLATION LASER POUR L'APPLICATION À LA PHOTOCATALYSE. |
| Type de document : |
texte imprimé |
| Auteurs : |
Astou SECK, Auteur |
| Editeur : |
Dakar : Université Cheikh Anta Diop de Dakar : Ecole Doctorale Physique, Chimie, Sciences de la Terre, de l'Univers et de l'Ingénieur |
| Année de publication : |
2024 |
| Importance : |
128 P. |
| Format : |
29 cm. |
| Langues : |
Français (fre) |
| Mots-clés : |
Photocatalyse TC Polluant organique Anodisation Dépôt Ablation laser Auto-dopage Hétérojonction Nanotube Couche mince TiO2 BiVO4 W-VO2 |
| Résumé : |
La photocatalyse permet de dégrader les polluants organiques présents dans les eaux contaminées.
Cette technologie est basée sur l'activation d'un catalyseur par la lumière (naturelle ou artificielle)
et présente de nombreux avantages, tels que sa stabilité, son faible coût, sa faible consommation
d'énergie et surtout sa capacité à minéraliser de nombreuses variétés de polluants organiques dans
l'eau sans introduire de nouvelles substances toxiques. Ces qualités en ont fait une technologie
commercialement viable. Les matériaux utilisés pour cette application sont souvent des semiconducteurs
à base d'oxyde tels que TiO2 et BiVO4. Cependant, ces matériaux sont soumis à des
limitations dans leurs applications, telles qu'une large bande interdite et une recombinaison rapide
des électrons et des trous lorsqu'ils sont irradiés par la lumière. Pour surmonter ces limitations,
nous avons utilisé l'autodopage, l'hétérojonction, l'alignement des bandes et l'inversion de la
direction du champ électrique interne (CEI). L'objectif de cette thèse était de synthét iser des
hétérojonctions de haute qualité à partir de films minces de TiO2 et de BiVO4 et de les intégrer
dans des dispositifs photocatalytiques avec une bonne efficacité de conversion et une stabilité Ã
long terme. Ainsi, nous avons développé des approches physiques basées sur l'utilisation de
l'anodisation et de l'ablation laser pulsée (PLD) car cette dernière permet de modifier
significativement la morphologie et l'épaisseur déposée en contrôlant simplement les paramètres
de dépôt. Le contrôle de ces techniques de fabrication s'avère être un moyen essentiel pour
maximiser la performance des catalyseurs.
Dans la première partie de la thèse, la technique de PLD a été utilisée pour faire varier avec
précision la teneur en BiVO4 sur la surface extérieure de réseaux de nanotubes de TiO2 noir (BTiO2).
Le B-TiO2(225) optimal élimine plus de 80% de l'antibiotique tétracycline (TC), alors que
les nanotubes de TiO2 purs n'éliminent que 27% de la TC après 300 min de réaction
photocatalytique sous irradiation de lumière visible. En outre, la constante du taux d'élimination en
utilisant l'hétérojonction optimale est de 0,005 min-1, ce qui est plus de 5 fois supérieur à celui des
nanotubes de TiO2 nus. La toxicité post-traitement a été évaluée à l'aide de la méthode de la densité
optique et du programme ECOSAR (Ecological Structure Activity Relationship). Les résultats
indiquent que le rapport de masse entre B-TiO2 et BiVO4 est un paramètre critique pour déterminer
l'activité photocatalytique, non seulement en termes d'efficacité et de cinétique de dégradation de la TC, mais aussi de type et de quantité de sous-produits et, par conséquent, de toxicité de la
solution traitée.
Par la suite, toujours en utilisant la PLD, nous avons réalisé une hétérojonction de BiVO4 et TiO2
avec l'insertion d'une petite couche mince de VO2 dopée au W. Cette stratégie a permis de modifier
les fonctions de travail des photocatalyseurs (BiVO4 et TiO2), la direction du CEI et l'ingénierie
des bords de bande, augmentant ainsi la décontamination de la TC et la densité de courant. En
conséquence, la densité de photocourant de l'hétérostructure BiVO4/W-VO2/TiO2 a été
significativement augmentée de 145% par rapport à BiVO4/TiO2. Le même résultat a été obtenu
avec la constante de vitesse cinétique pour l'élimination de la TC sous irradiation de lumière visible
par le même photocatalyseur. Sa constante de vitesse cinétique est respectivement de 225% et
110% plus élevée que celles de BiVO4/TiO2 et BiVO4. Le taux de dégradation photocatalytique
plus élevé avec BiVO4/W-VO2/TiO2 par rapport aux autres photocatalyseurs est dû à la meilleure
séparation des porteurs de charge et aux potentiels de bande inchangés de BiVO4 et TiO2, ce qui
conduit à la formation de radicaux à haut potentiel capables de dégrader la TC par des réactions
d'oxydoréduction ou par la formation d'espèces réactives de l'oxygène (ERO).
Enfin, l'identification et l'analyse de la toxicité de la TC et de ses produits de dégradation (DP) ont
été réalisées en utilisant respectivement la LC-HR-MS/MS (Spectrométrie de masse en tandem LC
à haute résolution) et le Toxicity Estimation Software Tool (T.E.S.T). D'après les résultats de la
densité optique, une croissance bactérienne plus importante a été obtenue avec la solution traitée
avec BiVO4/W-VO2/TiO2. Cela confirme l'importance du CEI et de l'alignement des bords de
bande sur la capacité de détoxification de ce photocatalyseur.
Ces résultats démontrent que la technique PLD est une méthode très prometteuse pour synthétiser
des films minces de bonne qualité pour des applications photocatalytiques. |
| Permalink : |
https://bibliothequefst.ucad.sn/index.php?lvl=notice_display&id=2034 |
SYNTHÈSE DES COUCHES MINCES DU BIVO4 SUR DU TiO2 POREUX PAR ABLATION LASER POUR L'APPLICATION À LA PHOTOCATALYSE. [texte imprimé] / Astou SECK, Auteur . - Dakar : Université Cheikh Anta Diop de Dakar : Ecole Doctorale Physique, Chimie, Sciences de la Terre, de l'Univers et de l'Ingénieur, 2024 . - 128 P. ; 29 cm. Langues : Français ( fre)
| Mots-clés : |
Photocatalyse TC Polluant organique Anodisation Dépôt Ablation laser Auto-dopage Hétérojonction Nanotube Couche mince TiO2 BiVO4 W-VO2 |
| Résumé : |
La photocatalyse permet de dégrader les polluants organiques présents dans les eaux contaminées.
Cette technologie est basée sur l'activation d'un catalyseur par la lumière (naturelle ou artificielle)
et présente de nombreux avantages, tels que sa stabilité, son faible coût, sa faible consommation
d'énergie et surtout sa capacité à minéraliser de nombreuses variétés de polluants organiques dans
l'eau sans introduire de nouvelles substances toxiques. Ces qualités en ont fait une technologie
commercialement viable. Les matériaux utilisés pour cette application sont souvent des semiconducteurs
à base d'oxyde tels que TiO2 et BiVO4. Cependant, ces matériaux sont soumis à des
limitations dans leurs applications, telles qu'une large bande interdite et une recombinaison rapide
des électrons et des trous lorsqu'ils sont irradiés par la lumière. Pour surmonter ces limitations,
nous avons utilisé l'autodopage, l'hétérojonction, l'alignement des bandes et l'inversion de la
direction du champ électrique interne (CEI). L'objectif de cette thèse était de synthét iser des
hétérojonctions de haute qualité à partir de films minces de TiO2 et de BiVO4 et de les intégrer
dans des dispositifs photocatalytiques avec une bonne efficacité de conversion et une stabilité Ã
long terme. Ainsi, nous avons développé des approches physiques basées sur l'utilisation de
l'anodisation et de l'ablation laser pulsée (PLD) car cette dernière permet de modifier
significativement la morphologie et l'épaisseur déposée en contrôlant simplement les paramètres
de dépôt. Le contrôle de ces techniques de fabrication s'avère être un moyen essentiel pour
maximiser la performance des catalyseurs.
Dans la première partie de la thèse, la technique de PLD a été utilisée pour faire varier avec
précision la teneur en BiVO4 sur la surface extérieure de réseaux de nanotubes de TiO2 noir (BTiO2).
Le B-TiO2(225) optimal élimine plus de 80% de l'antibiotique tétracycline (TC), alors que
les nanotubes de TiO2 purs n'éliminent que 27% de la TC après 300 min de réaction
photocatalytique sous irradiation de lumière visible. En outre, la constante du taux d'élimination en
utilisant l'hétérojonction optimale est de 0,005 min-1, ce qui est plus de 5 fois supérieur à celui des
nanotubes de TiO2 nus. La toxicité post-traitement a été évaluée à l'aide de la méthode de la densité
optique et du programme ECOSAR (Ecological Structure Activity Relationship). Les résultats
indiquent que le rapport de masse entre B-TiO2 et BiVO4 est un paramètre critique pour déterminer
l'activité photocatalytique, non seulement en termes d'efficacité et de cinétique de dégradation de la TC, mais aussi de type et de quantité de sous-produits et, par conséquent, de toxicité de la
solution traitée.
Par la suite, toujours en utilisant la PLD, nous avons réalisé une hétérojonction de BiVO4 et TiO2
avec l'insertion d'une petite couche mince de VO2 dopée au W. Cette stratégie a permis de modifier
les fonctions de travail des photocatalyseurs (BiVO4 et TiO2), la direction du CEI et l'ingénierie
des bords de bande, augmentant ainsi la décontamination de la TC et la densité de courant. En
conséquence, la densité de photocourant de l'hétérostructure BiVO4/W-VO2/TiO2 a été
significativement augmentée de 145% par rapport à BiVO4/TiO2. Le même résultat a été obtenu
avec la constante de vitesse cinétique pour l'élimination de la TC sous irradiation de lumière visible
par le même photocatalyseur. Sa constante de vitesse cinétique est respectivement de 225% et
110% plus élevée que celles de BiVO4/TiO2 et BiVO4. Le taux de dégradation photocatalytique
plus élevé avec BiVO4/W-VO2/TiO2 par rapport aux autres photocatalyseurs est dû à la meilleure
séparation des porteurs de charge et aux potentiels de bande inchangés de BiVO4 et TiO2, ce qui
conduit à la formation de radicaux à haut potentiel capables de dégrader la TC par des réactions
d'oxydoréduction ou par la formation d'espèces réactives de l'oxygène (ERO).
Enfin, l'identification et l'analyse de la toxicité de la TC et de ses produits de dégradation (DP) ont
été réalisées en utilisant respectivement la LC-HR-MS/MS (Spectrométrie de masse en tandem LC
à haute résolution) et le Toxicity Estimation Software Tool (T.E.S.T). D'après les résultats de la
densité optique, une croissance bactérienne plus importante a été obtenue avec la solution traitée
avec BiVO4/W-VO2/TiO2. Cela confirme l'importance du CEI et de l'alignement des bords de
bande sur la capacité de détoxification de ce photocatalyseur.
Ces résultats démontrent que la technique PLD est une méthode très prometteuse pour synthétiser
des films minces de bonne qualité pour des applications photocatalytiques. |
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