Synthèse des couches minces du BiVO4 sur du TiO2 poreux par ablation laser pour l'application à la photocatalyse.

Seck, Astou (2024). Synthèse des couches minces du BiVO4 sur du TiO2 poreux par ablation laser pour l'application à la photocatalyse. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, 156 p.

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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 semi-conducteurs 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 synthétiser 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 à 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 (B- TiO2). 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.

Photocatalysis makes it possible to degrade organic pollutants present in contaminated water. This technology is based on the activation of a catalyst by light (natural or artificial) and has many advantages, such as its stability, low cost, low energy consumption and above all its ability to mineralize many varieties of organic pollutants in water without introducing new toxic substances. These qualities have made it a commercially viable technology. The materials used for this application are often oxide-based semiconductors such as TiO2 and BiVO4. However, these materials are subject to limitations in their applications, such as a wide band gap and rapid recombination of electrons and holes when irradiated with light. To overcome these limitations, we have used self-doping, heterojunction, band alignment and inversion of the internal electric field (IEF) direction. The aim of this thesis was to synthesise high quality heterojunctions of TiO2 and BiVO4 thin films and integrate them into photocatalytic devices with good conversion efficiency and long-term stability. Thus, we have developed physical approaches based on the use of anodization and pulsed laser ablation as the latter can significantly modify morphology and deposited thickness by simply controlling the deposition parameters. Controlling these manufacturing techniques is proving to be an essential way of maximising catalyst performance.
In the first part of the thesis, pulsed laser deposition was used to precisely vary the BiVO4 content on the outer surface of arrays of black TiO2 nanotubes (B- TiO2). The optimal B-TiO2(225) removes more than 80% of the antibiotic tetracycline (TC), whereas bare TiO2 nanotubes removes only 27% of the TC after 300 min of photocatalytic reaction under visible light irradiation. Furthermore, the removal rate constant using the optimal heterojunction sample is 0.005 min-1, which is more than 5 times higher than that of bare TiO2 nanotubes. Post-treatment toxicity was assessed using the optical density method and the Ecological Structure Activity Relationship (ECOSAR) programme. The results indicate that the mass ratio between B-TiO2 and BiVO4 is a critical parameter for determining the photocatalytic activity, not only in terms of efficiency and kinetics of TC degradation, but also the type and quantity of by-products and, consequently, the toxicity of the treated solution. Secondly, still using laser ablation deposition, we achieved the heterojunction of BiVO4 and TiO2 with the insertion of a small W-doped VO2 thin film. This strategy made it possible to modify the work functions of the photocatalysts (BiVO4 and TiO2), the direction of the IEF and the engineering of the band edges, thereby increasing the decontamination of TC and the current density. As a result, the photocurrent density of the BiVO4/W-VO2/TiO2 heterostructure was significantly increased by 145% compared with BiVO4/TiO2. The same result was obtained with the kinetic rate constant for the elimination of TC under visible light irradiation by the same photocatalyst. Its kinetic rate constant is 225% and 110% higher than those of BiVO4/TiO2 and BiVO4 respectively. The higher photocatalytic degradation rate using BiVO4/W-VO2/TiO2 compared to other photocatalysts is due to the better charge carrier separation and to the unchanged band potentials of BiVO4 and TiO2, which leads to the formation of high potential radicals capable of degrading TC by redox reactions or by the formation of reactive oxygen species (ROS). Finally, the identification and analysis of the toxicity of TC and its degradation products (DPs) were carried out using LC-HR-MS/MS and the Toxicity Estimation Software Tool (T.E.S.T) respectively. According to the optical density results, higher bacterial growth was obtained with the solution treated with BiVO4/W-VO2/TiO2. This confirms the importance of the IEF and band edge alignment on the detoxification capacity of this photocatalyst.
These results demonstrate the potential of the PLD technique as a very promising method for synthesising good quality thin films for photocatalytic applications.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Chaker, Mohamed
Co-directeurs de mémoire/thèse:	Ngom, Balla
Mots-clés libres:	TC ; DP ; photocatalysis ; anodization ; laser ablation deposition ; self-doping ; heterojunction ; nanotubes ; thin film ; TiO2 ; BiVO4 ; W-VO2 ; photocatalyse ; anodisation dépôt par ablation laser ; auto-dopage ; hétérojonction ; nanotubes ; couche mince
Centre:	Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt:	29 nov. 2024 15:40
Dernière modification:	29 nov. 2024 15:40
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/16218

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