Afin de r��duire la quantit�� d'hydrocarbures d��vers��s dans le milieu marin, les navires de la flotte marchande et, depuis peu, les navires militaires sont tenus de contr��ler leurs rejets huileux. Par exemple, seules les eaux de cales dont la concentration en huile (indice hydrocarbure) est inf��rieure �� 15 ppmv peuvent ��tre d��vers��es en mer (Marpol 73/78). Au-del�� de cette teneur, et si le stockage �� bord n'est pas envisageable, un traitement avant rejet devient alors in��vitable. Cependant, les traitements actuels des eaux de cales se sont av��r��s jusqu'ici insuffisants. La photocatalyse h��t��rog��ne, m��thode largement utilis��e dans le cas du traitement d'effluents gazeux et liquides, a ainsi ��t�� propos��e dans ce travail. L'abattement de l'indice hydrocarbure a ��t�� suivi par analyse GC-MS. D��s lors, apr��s avoir mis en ��vidence la faisabilit�� et les limites du proc��d�� batch, un r��acteur photocatalytique �� a��ration diffus��e (DAPR) a ��t�� d��velopp�� afin de rem��dier au manque d'oxyg��ne dissous de l'effluent r��el. Comparativement au traitement dans le r��acteur batch, une meilleure efficacit�� de la d��gradation a ��t�� observ��e dans le DAPR. Cependant, l'analyse parall��le (ATD-GC-MS) de l'��volution de la composition de la phase gazeuse a montr�� qu'une quantit�� non n��gligeable de compos��s organiques volatils (COV) y ��taient alors ��mis. Enfin, les nalcanes ont ��t�� identifi��s comme ��tant les compos��s les plus r��fractaires au traitement photocatalytique et le pentad��cane a alors ��t�� choisi comme polluant mod��le des eaux de cales pour une analyse cin��tique.

L'industrialisation et l'utilisation dans la vie courante d'un nombre croissant de produits chimiques et médicamenteux sont responsables de la dissémination dans l'environnement de substances variées nommées" polluants émergents ". Les traitements des eaux usées existants ne sont pas conçus pour éliminer cette catégorie de pollution et les polluants émergents sont alors rejetés dans le milieu récepteur. Une possible solution pour limiter le rejet de ces composés par les effluents de station d'épuration serait l'utilisation de procédés de traitement additionnels tels que les procédés d'oxydation avancés. C'est dans ce contexte qu'a démarré le projet Européen Clean Water en 2009 associant 7 entités dont le GEPEA-Ecole des Mines de Nantes. Le concept du projet est de développer des procédés photocatalytiques mettant en œuvre des nanomatériaux actifs sous la lumière solaire. Ces procédés visent à éliminer les polluants émergents tels que les perturbateurs endocriniens ou les produits pharmaceutiques. Dans ce programme, le laboratoire GEPEA est concerné par l'évaluation de l'efficacité des matériaux vis-à-vis de l'élimination des polluants émergents sous irradiations UV et visibles. Pour cela, une méthodologie expérimentale a été établie de façon à exprimer les performances des catalyseurs testés en termes de constantes cinétiques de dégradation, de taux de conversion et de minéralisation des molécules étudiées mais aussi en fonction de la formation de produits intermédiaires. Ces performances sont également évaluées en termes de biodégradabilité, d'effet de toxicité et de perturbation endocrinienne des produits intermédiaires. Dans un premier temps, la méthodologie expérimentale établie a été testée sur la dégradation de la tétracycline en utilisant un catalyseur de référence puis, elle a été appliquée sur la dégradation respective du bisphénol A et de la 17β-oestradiol en utilisant un catalyseur de référence et les catalyseurs élaborés dans le cadre du projet Clean Water. Les résultats sur la dégradation de la tétracycline ont montré que i) les intermédiaires réactionnels sont moins toxiques que la tétracycline, ii) la structure des intermédiaires réactionnelles est semblable à celle de la tétracycline ce qui explique la faible biodégradabilité de ces intermédiaires. Concernant la dégradation du bisphénol A et de la 17β-oestradiol, les résultats ont montré que i) les catalyseurs sont efficaces sous irradiation solaire simulée. Cependant, l'efficacité photocatalytique du catalyseur dépend du composé à dégrader, ii) la nature des intermédiaires réactionnels identifiés du bisphénol A dépend du catalyseur utilisé, iii) l'effet œstrogénique de la solution d'oestradiol persiste au cours du traitement photocatalytique.

Le présent travail a porté sur l'élaboration des électrodes de TiO2 préparées par oxydation anodique du titane avec différentes structures (couche mince et nanotubes) et modifiées avec des espèces de cérium par électrodéposition. L'objectif est d'agir sur les propriétés physiques et électrochimiques de la couche de TiO2 afin d'améliorer les performances photocatalytiques. Pour cet objectif, l'étude a été réalisée en présence et en absence de lumière UV-A et avec des concentrations variables de polluants de type méthanol ainsi qu' un colorant azoïque, l'Amido Black. Les résultats photo-électrochimiques montrent que la photo activité est améliorée suite à la déposition du cérium et qu'il existe une concentration optimale de l'élément dopant. Cet optimum correspond à un pourcentage atomique Ce/Ti de 0.6 at% et il est associé à une meilleure efficacité de séparation des paires é-h+ photo-générés. Les couches nanotubulaires de TiO2 sont obtenues par anodisation du titane à 20 V pendant 45 min dans trois types d'électrolytes : un mélange d'étylene glycol, de fluorure d'ammonium et d'eau (NT1), un mélange de fluorure de tetrabutyl ammonium et de formamide (NT2), et un mélange de sulfate de sodium, de fluorure d'ammonium et d'eau (NT3). L'électrode élaborée dans l'éthylène glycol (NT1) présente le photocourant et l'activité de décoloration du polluant les plus élevées. Ce résultat est attribué à la bonne concordance entre d'une part la surface spécifique et la fraction solide élevées responsables de l'absorption des photons incidents et d'autre part à une faible vitesse de recombinaison des paires électrons trous.

Des couches minces et des membranes photoactives à base d'anatase nanocristalline et à mésoporosité ordonnée, obtenues par effet d'empreinte de mésophases structurantes, ont été réalisées en vue du couplage direct séparation membranaire et réaction photocatalysée. Une méthode de synthèse par voie sol-gel de sol d'anatase nanocristalline à basse température a été mise au point. Des couches minces et des membranes mésostructurées ont été préparées à partir de ce sol en utilisant des copolymères triblocs de type poly (oxy éthylène)- bloc – poly (oxy propylène)- bloc – poly (oxy éthylène). Ces molécules amphiphiles forment par auto-assemblage des mésophases structurantes. Deux mésostructures différentes ont été obtenues : une mésostructure initialement hexagonale 2D de type cristallographique p6mm, correspondant à un arrangement compact de micelles cylindriques puis de pores cylindriques, et une mésostructure cubique de type cristallographique Fm3m, présentant des pores sphériques, issue d'une mésophase micellaire cubique. Nous avons montré qu'il est possible de détruire la mésophase structurante à basse température (150°C), en utilisant les propriétés photocatalytiques de l'anatase. Ceci permet d'envisager le dépôt de ces couches minces sur des supports thermosensibles. Nous avons aussi exploré la possibilité de réaliser des couches mixtes ordonnées TiO2/SiO2 et des films dopés pour étendre le domaine de la photoactivité du matériau vers la lumière visible. Ces couches minces et ces membranes ont été testées en photocatalyse. Elles ont montré leur efficacité élevée. Des tests préliminaires de couplage direct séparation/photodégradation ont été réalisés sur une solution aqueuse de bleu de méthylène. Les membranes ont été également caractérisées en perméation des liquides et des gaz.

La première partie de ce travail est consacrée à l'évaluation de l'efficacité photocatalytique de plusieurs semiconducteurs commerciaux. La comparaison est basée sur la détermination de leurs propriétés physiques : diamètre des particules, taille des cristallites, structure cristallographique, propriétés électroniques, composition chimique ainsi que capacité d'adsorption. L'efficacité photocatalytique est testée sur le phénol, un polluant modèle. Alors que ZnO présente une activité photocatalytique légèrement supérieure à celle des différents TiO2 étudiés, c'est pour le TiO2 P25 que la plus faible résistivité a été observée. C'est donc au sein de ce dernier que la circulation électronique est la meilleure. L'existence de différentes formes cristallographiques pour le TiO2 est démontrée être également un autre paramètre fondamental gouvernant la réactivité. Si la partition anatase/rutile (80/20%) est donc importante, le fait que le TiO2-P25 soit formé d'un seul cristallite le semble tout autant, car c'est tout le grain qui peut être considéré comme actif.Une seconde partie est dédiée à l'étude de la dégradation photocatalytique d'un colorant, le Vert Cibacron (RG12) utilisé dans l'industrie textile. Le travail est réalisé en suspension aqueuse en présence de dioxyde de titane TiO2-P25. La décoloration de la suspension est effective après 90min de traitement et s'accompagne d'une minéralisation partielle de 60% pour une gamme de concentration initiale en RG12 entre 10-40 mgL-1. Pour déterminer le mécanisme général de la photocatalyse, des investigations thermodynamiques et cinétiques ont été menées sur l'adsorption du colorant sur TiO2-P25. La chimisorption s'est avérée être le processus spontané endothermique majoritaire se déroulant à la surface du photocatalyseur. La cinétique d'adsorption suit globalement une loi de pseudo-ordre deux accompagnée d'un mécanisme de diffusion intraparticulaire observé aux fortes concentrations (80-120 mgL-1) mettant en avant les mésopores du matériau. Un modèle faisant intervenir une adsorption compétitive des espèces à la surface du photocatalyseur a été élaboré. Les molécules de colorant, de sous-produits de dégradation, les molécules d'eau et ions hydroxydes, ainsi que le dioxygène présent en solution et à la surface du TiO2 sont supposés entrer en compétition vis à vis des mêmes sites d'adsorption. Il est alors observé que l'inverse de la constante de dégradation photocatalytique du colorant dépend d'un polynôme du second degré de la concentration initiale du colorant de départ.Afin de contrecarrer le problème récurrent de la filtration des suspensions aqueuses de TiO2, la fixation de TiO2 par la méthode PMTP sur des plaques de verre a été étudiée. La caractérisation des dépôts par MEB et DRX a permis de montrer que ceux-ci étaient homogènes. Les performances du TiO2 supporté ont été comparées au procédé photocatalytique classique en suspension aqueuse sur le colorant Vert Cibacron dans un réacteur à recirculation de 500 mL dont les conditions optimales de fonctionnement ont été déterminées. Le modèle précédent de compétition d'adsorption des espèces à la surface du photocatalyseur, s'est montré adapté à décrire les résultats expérimentaux comparativement au modèle de Langmuir-Hinshelwood.Enfin, le couplage photocatalyse/sonolyse a été examiné pour la dégradation du vert Cibacron. Le dosage des espèces actives générées par chaque technique a été réalisé. Une synergie est apparue lors du couplage de la photocatalyse sous irradiation solaire en présence d'ultrasons 500 kHz.

L'objectif principal de ce travail a été d'étudier le potentiel de mousses alvéolaires tridimensionnelles en carbure de silicium de forme béta (β-SiC) comme support de photocatalyseur, dans le but de mettre au point des réacteurs photocatalytiques structurés pour le traitement de l'air. Ces mousses alvéolaires de β-SiC de surface spécifique moyenne et de porosité très ouverte sont obtenues par la synthèse dite à mémoire de forme (Shape Memory Synthesis), consistant en la carburation contrôlée d'une mousse alvéolaire de polyuréthane préformée. Une étude de la dégradation de trois polluants sur des films minces en mode de lit léchant (la méthyléthylcétone, l'ammoniac et le sulfure d'hydrogène) a tout d'abord permis de sélectionner trois photocatalyseurs d'intérêt parmi six références commerciales avant d'être immobilisés sur les mousses de β-SiC. Après une étape d'optimisation en termes de taille d'alvéoles, de nature et quantité de photocatalyseur, le média photocatalytique TiO2/mousses de β-SiC a été caractérisé et ses performances comparées en mode mono-passage ainsi qu'en mode de recirculation du flux dans une enceinte de 2 m3, à celles d'un film mince de TiO2 et d'un média photocatalytique commercial de référence. Le média photocatalytique TiO2/mousses de β-SiC présente des performances nettement améliorées par rapport à celles du média référent. Les mousses jouent un rôle de mélangeur statique et permettent une meilleure utilisation du volume du réacteur, en augmentation la densité de photocatalyseur par unité de volume tout en maintenant une illumination du cœur du réacteur acceptable ainsi que des pertes de charge très limitées.

Le contexte énergétique actuel est favorable au développement de sources renouvelables d'énergie électrique. Cette étude reporte l'alimentation directe d'une pile à combustible à membrane échangeuse de proton par de l'hydrogène issue de réactions photocatalytiques de reformage et de déshydrogénation d'alcools. Le méthanol est utilisé comme molécule modèle. La vitesse de production en hydrogène a été optimisée en jouant sur des paramètres intrinsèques aux systèmes photocatalytiques, telles que la concentration en catalyseur (TiO2), la teneur en cocatalyseur (nanoparticules de platine), l'influence du flux de photons, la température, la vitesse d'agitation ou encore le choix du photocatalyseur. Aussi, une méthode de synthèse hydrothermale permettant l'obtention d'une grande variété de TiO2 monophasiques et polyphasiques, avec des compositions et des structures cristallines différentes, a été utilisée. Le dépôt du cocatalyseur (Pt) a été appliqué à partir de différentes méthodes (photodépôt, imprégnation à humidité naissante et à échange d'ions). Les activités photocatalytiques des catalyseurs ont été reliées à leurs propriétés physicochimiques. Les performances de la pile à combustible sous hydrogène photocatalytique, ont été suivies. Finalement, une expérience réalisée directement sous irradiation solaire a permis de maintenir une puissance électrique, ramenée à la surface optique des photoréacteurs, de 1 mW.cm-2 sur plusieurs heures.

Le but de la thèse est d'étudier l'influence de la microstructure des composites ZnO/TiO2 sur leurs propriétés dans la dégradation photocatalytique des polluants organiques et dans l'oxydation de l'eau photoassistée. Pour réaliser cette étude, nous avons choisi la conception basée sur des nano bâtonnets ZnO supportés sur une électrode de verre recouverte d'ITO (Indium Tin Oxide). Les nano bâtonnets de ZnO ont ensuite été recouverts d'une couche de TiO2 dans différentes conditions. La composition et la microstructure des composites ZnO(cœur)/TiO2(coquille) ont été modifiées dans le but d'élucider comment ces paramètres influencent leur activité photocatalytique. La couche TiO2 de morphologie différente (discontinue ou compacte) a été élaborée. Nous avons montré que le composite contenant la couche de TiO2 discontinue possède une activité plus élevée dans la dégradation de MB et dans l'oxydation de H2O sous 400 nm. Cette photoactivité améliorée a été attribuée à une meilleure accessibilité pour les réactifs de l'interface ZnO/TiO2 à travers la couche de TiO2. Aussi nous avons pu améliorer l'activité des composites sous la lumière visible. Dans ce but, les composites constitués de nano bâtonnets de ZnO supportés sur ITO ont été recouverts de TiO2 dopé à l'azote et décorés de nanoparticules d'or. Il a été trouvé que même une faible charge d'or (0,37% at.) permet une augmentation de 60% de la vitesse de décoloration photocatalytique du MB sous la lumière visible par rapport à l'échantillon sans or en raison de l'effet plasmonique. Un dopage simultané à l'azote et à l'or a permis également de multiplier par trois le photocourant dans l'oxydation photoassistée de l'eau. / The aim of the thesis is to study the influence of microstructure of ZnO/TiO2 composites on their properties in photocatalytic degradation of organic pollutants, and in photoassisted water oxidation. To realize such study we chose the design based on ZnO nanorods supported on ITO (Indium Tin Oxide)-coated glass electrode. The ZnO nanorods were then covered with a layer of TiO2 under different conditions. The composition and microstructure of the obtained ZnO(core)/TiO2(shell) composites were modified in the aim to elucidate how these parameters influence their photocatalytic activity. The results of studies lead to elaboration of two most distinctive variants of sol-gel procedure that allow to deposit TiO2 layers of controlled thicknesses and different morphology (rugged or compact). The composite containing the rugged TiO2 layer was shown to possess significantly higher activity in MB degradation and in photoassisted H2O oxidation under 400 nm. This improved photoactivity was attributed to a higher porosity and better accessibility of ZnO/TiO2 interface region through the rugged TiO2 layer by the reagents. The effort was also made to enhance the visible light activity of the composites. To this aim the composites consisting of ITO-supported ZnO nanorods covered with nitrogen-doped titanium dioxide and decorated with Au nanoparticles. It was found that even a low Au loading (0.37% at.) resulted in 60% enhancement of photocatalytic decolorization of MB under visible light with respect to the Au-free sample owing to plasmonic effects. A simultaneous N-doping and Au decoration allowed also to multiply by three the photocurrent in photoassited water oxidation.

La dépollution est aujourd’hui un enjeu majeur pour la protection de l’environnement et un développement durable. Les technologies membranaires et les procédés d’oxydation avancée jouent un rôle de plus en plus important dans le traitement de l'eau que ce soit pour la production d’eau potable que pour le traitement des eaux usées urbaines ou industrielles. La photocatalyse hétérogène est un procédé d’oxydation avancée permettant la génération des espèces très oxydantes comme les radicaux OH•, en présence d’eau et de dioxygène, lors de l’irradiation de certains solides semi-conducteurs au premier rang desquels on retrouve le dioxyde de titane. L’objectif final visé dans cette thèse est le développement de filtres photocatalytiques performants mis en œuvre dans des procédés hybrides couplant séparation et photodégradation. Le mode d’élaboration envisagé pour ces filtres photocatalytiques est basé sur une voie de synthèse en rupture utilisant un polymère biosourcé, la cellulose, à la fois comme réactif (source d’oxygène) et support mécanique pour la croissance de nanoparticules de TiO2 à partir de tétrachlorure de titane. La première partie de la thèse est dédiée à une revue bibliographique qui porte principalement sur les procédés membranaires et hybrides, le dioxyde de titane et ses propriétés photocatalytiques et sur les propriétés chimiques, structurales et microstructurales et l’évolution thermique de la cellulose. Après un descriptif des matériels et méthodes mis en œuvre dans l’étude expérimentale sont d’abord présentés et discutés les résultats obtenus sur la préparation et la caractérisation de poudres purement minérales, à base de TiO2, et de poudres composites TiO2-carbone. L’effet du dopage du TiO2 par différents métaux de transition afin d’améliorer ses propriétés fonctionnelles est ensuite examiné. Une simplification du procédé de synthèse consistant à éliminer tout usage de solvant est exposée dans le chapitre suivant. S’appuyant sur le savoir-faire précédemment acquis en matière de synthèse et sur les performances photocatalytiques préalablement mesurées, le dernier chapitre est consacré aux travaux préliminaires menés sur la préparation de filtres photocatalytiques et sur l’évaluation leurs performances fonctionnelles. / The pollution is definitely a major issue for environmental protection and sustainable development. Membrane technologies and advanced oxidation processes play more and more a key-role in the treatment of water both for the production of drinking water and for the treatment of municipal and industrial wastewaters. Heterogeneous photocatalysis is an advanced oxidation process for generating highly oxidizing species such as OH• in the presence of water and dioxygen, under irradiation of some semiconducting solids like titania (TiO2). The targeted objective for this PhD work is the development of efficient photocatalytic filters to be implemented in hybrid processes coupling separation and photodegradation. The innovative route investigated for preparing such photocatalytic filters is based on the use of a bio-based polymer, i.e. the cellulose, both as reactant (oxygen source) and mechanical support for the growth of titania nanoparticles from titanium tetrachloride. The first part of the thesis is dedicated to a literature review mainly focused on membrane and hybrid processes, on titanium dioxide and its photocatalytic properties and on the chemical, structural, microstructural and thermal behaviour of cellulose. After a description of the experimental procedures, the second part of this manuscript is first dedicated to the presentation and the discussion of the experimental results on the preparation and characterization of pure titania powders and of TiO2-carbon composite powders. The effect of titania doping by different transition metals in order to improve its functional properties is then examined. Simplification of the synthesis process by removing any is described in the next chapter. From the previously developed know-how on synthesis and photocatalytic performance, the last chapter is devoted to preliminary work on the preparation of photocatalytic filters and on the assessment of their functional properties.

Le nitrure de carbone graphitique (gCN) est un semi-conducteur organique ayant dernièrement attiré l'attention par sa capacité à photocatalyser la séparation de l'eau. Il a récemment été montré que le gCN était un polymère basé sur le cycle heptazine C6N7, mais son arrangement tridimensionnel reste encore très peu connu. En effet, sa faible solubilité empêche l'utilisation des techniques de caractérisation classiques, et le terme gCN recouvre en réalité une large gamme de composés différents, selon les conditions de synthèse utilisées (choix du précurseur, température…). L'obtention de modèles moléculaires, de structures maîtrisées et bien définies, serait donc d'une grande aide dans la compréhension du lien structure-propriétés. Ceci est le but des travaux présentés dans ce manuscrit. La réactivité du chlorure de cyaméluryle, un précurseur monomérique, a été étudiée, et un protocole de substitution sélective quantitative par les amines secondaire aliphatique a été déterminé. L'utilisation de synthèses par déprotonation ou par activation thermique ont permis l'obtention de deux dimères et d'un trimère linéaire solubles. Les oligomères synthétisés ont été caractérisés par de nombreuses techniques (diffraction des rayons X, RMN, IR, absorption UV-vis, fluorescence, électrochimie), et les valeurs obtenues ont été corroborées à celle obtenues par DFT. De façon générale, une diminution des énergies des transitions électronique est observée quand la taille de chaîne augmente, et l'application de méthodes d'extrapolation suggère que les oligomères linéaires sont des bon modèle moléculaire du gCN. / Graphitic carbon nitride (gCN) is an organic semi-conductor which has lately attracted a lot of attention when its photocatalytic properties were highlighted for water splitting. It has been recently shown to be based on the heptazine core, but its three-dimensional structure remains elusive. This is first due to its poor solubility which prevents the use of classical characterization techniques, and second to the fact that changes in synthesis experimental conditions (precursors, temperature…) yield different materials. The synthesis of tailored and well-defined molecular models would therefore certainly be of great interest to better understand the structure-properties relationship of this material. This is the aim of the work presented in this manuscript. The reactivity of cyameluryl chloride, a monomeric precursor, has been studied, and a protocol for a quantitative selective substitution by aliphatic secondary amines has been determined. The use of deprotonation by a strong base or thermal treatment yielded two dimers and one linear trimer. The oligomers have been characterized by several technique (X-ray diffraction, NMR, IR, UV-vis absorption, emission, electrochemistry), and the obtained data were in close agreement to the ones observed in DFT. As a rule of thumb, a decrease of the electronic transition energies is observed for an increasing chain length. The application of extrapolation methods to the experimental data suggests that oligomers are relevant molecular models for gCN.