Dépôt et caractérisation de dispositifs photocatalytiques à base de T iO₂ pour traitement de l’eau.

Eddah, Mustapha (2020). Dépôt et caractérisation de dispositifs photocatalytiques à base de T iO₂ pour traitement de l’eau. Mémoire. Québec, Maîtrise en sciences de l’énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 62 p.

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Résumé

La transcription des symboles et des caractères spéciaux utilisés dans la version originale de ce résumé n’a pas été possible en raison de limitations techniques. La version correcte de ce résumé peut être lue en PDF.La pollution des réserves d’eau douce et la demande croissante en eau potable constituent une menace sérieuse pour l’humanité et la planète. Les procédés de traitement biologique conventionnels ne sont généralement pas efficaces pour le traitement des divers polluants municipaux et industriels qui pénètrent les masses d’eau. Les processus d’oxydation avancée (POA), tels que la dégradation photocatalytique, se sont révélés remarquablement prometteurs pour le traitement de l’eau, notamment pour la destruction des nouveaux contaminants, toxines naturelles, pesticides et d’autres contaminants nocifs. Le procédé photocatalytique (PC) utilisant le T iO2 a été fortement étudié pour l’élimination des polluants organiques récalcitrants en raison de sa grande activité photocatalytique, de sa stabilité et de sa non-toxicité. Malgré un nombre croissant de recherches sur la photocatalyse à l’aide de T iO2 , ses applications industrielles sont encore limitées. La bande interdite relativement large du T iO2 nécessite une lumière ultraviolette (UV) pour son excitation, qui ne représente que 5% de la lumière solaire naturelle. Il est donc important de développer des photocatalyseurs qui peuvent être activés à la fois sous irradiation UV et visible. Pour pallier le problème du T iO2 présent dans l’eau après traitement, les couches minces sont une solution viable. Il est prouvé que le T iO2 dopé à l’azote (T iO2−xNx ) étend la gamme d’absorption de la lumière de 380 nm à la lumière visible, ce qui entraîne une activité photocatalytique accrue sous lumière visible. Le T iO2−xNx réduit également le taux de recombinaison des électrons et des trous photo-induits. Des couches minces dopées à l’azote à forte activité sous irradiation UV et visible permettraient de remédier aux limites de la photocatalyse du T iO2 dans les procédés de traitement de l’eau. Il est également prouvé que la fabrication d’hétérostructures avec des semi-conducteurs à bande faible bandgap déplacerait la gamme d’activation du T iO2 vers la région visible. Parmi les photocatalyseurs à faible bandgap, le BiV O4 est très prometteur en raison de sa bande interdite de 2,4-2,5 eV. Parmi les différentes méthode de dépôt de T iO2 dopé à l’azote, l’ablation laser pulsé (PLD) est une méthode prometteuse en raison de sa polyvalence, de sa simplicité et de sa grande reproductibilité. Des films dopés à l’azote et à gradient d’azote couche par couche avec différentes porosités ont été synthétisés en utilisant le dépôt laser pulsé (PLD) pour l’élimination du sulfaméthoxazole (SMX) dans l’eau. Le film T iO2 dopé au gradient créerait une homojonction avec des bords de bande potentiels différents ; la séparation des charges serait considérablement améliorée par la flexion de la bande. Des hétérojonctions T iO2 -BiV O4 ont également été déposées en utilisant la même technique pour étudier l’efficacité de l’hétérojonction pour le traitement de l’eau. Les films ont été caractérisés par différentes méthodes, donnant des informations structurelles (MEB, XPS, XRD, UV-Vis, ...) ou fonctionnelles (voltampérométrie linéaire et cyclique, traitement de l’eau, ...) La performance supérieure de T iO2 − g − N dans la région visible a été observée. L’excellente fixation des différentes couches, le taux réduit de recombinaison des électrons photoexcités et la haute porosité ont contribué à ce résultat.

The symbols and special characters used in the original abstract could not be transcribed due to technical problems. Please use the PDF version to read the abstract. The pollution of fresh water supplies and growing demands for the clean drinking water pose a serious threat to mankind and the planet Earth. Conventional biological treatment processes are generally not effective for treatment of the variety of municipal and industrial pollutants entering into the water bodies. Advanced oxidation processes (AOPs) such as photocatalytic degradation process, have shown remarkable promise in water treatment, including for the destruction of emerging contaminants, naturally occurring toxins, pesticides, and other deleterious contaminants. Photocatalytic (PC) process using T iO2 has been extensively studied for the removal of recalcitrant organic pollutants due to its high photocatalytic activity, stability, and nontoxicity . Despite an increasing number of research studies in photocatalysis by using T iO2 , its industrial applications are still limited. For instance, the removal of the T iO2 from water after treatment is challenging which has not successfully addressed. Moreover, the relatively large band gap of T iO2 requires ultraviolet (UV) light for excitation, which is only 5% of the natural solar light. Therefore, it is of great importance to develop photocatalysts that can be activated under both UV and visible light irradiation. It is proven that nitrogen-doped T iO2 extends the light absorption onset from 380 nm to visible light which leads to a photocatalytic activity under visible light irradiation. It is reported that the nitrogen-doped T iO2 not only improves the visible light absorption edge, but also suppresses the recombination rate of photo-induced electrons and holes. It seems that nitrogen-doped thin film with high activity under both UV and visible irradiation would address the limitations of T iO2 photocatalysis in water treatment processes. It is also proven that the fabricating heterostructures with narrow band gap semiconductors would shift the activation range of T iO2 to visible region. Of narrow band gap photocatalysts, BiV O4 offers considerable promise as the results of its moderate bandgap of 2.4-2.5 eV. Among the various technique to produce N-doped T iO2 , pulsed laser deposition (PLD) is a promising method du its versatility, simplicity and high reproducibility. Nitrogen doped T iO2 and layer-by-layer gradient nitrogen doped T iO2 films (T iO2 − g − N ) with various porosity were synthesized by using pulsed laser deposition (PLD) for removal of sulfamethoxazole (SMX) in water. The gradient doped T iO2 film would create an homojunction with different potential band edges would significantly enhance the charge separation as a result of band bending. T iO2 -BiV O4 heterojunctions were also deposited using the same technique to study the efficiency of the heterojunction for water treatment. The films were characterized using various methods, giving structural (SEM, XPS, XRD, AFM, UV-Vis) or functional information (Linear and Cyclic Voltammetry, Water treatment The superior performance of T iO2 − g − N in the visible region has been observed. The excellent attachment of various layers, reduced recombination rate of photoexcited electrons and high porosity contributed to this result.

Type de document:	Thèse Mémoire
Directeur de mémoire/thèse:	Chaker, Mohamed
Mots-clés libres:	T iO₂; BiV O₄; dépôt par laser pulsé; photocatalyse; dopage par gradient; hétérojonction; traitement de l’eau; sulfaméthoxazole; pulsed laser deposition; photocatalysis; gradient doping; heterojunction; water treatment; sulfamethoxazole
Centre:	Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt:	20 janv. 2021 19:36
Dernière modification:	29 sept. 2021 18:03
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/11164

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