Les surfaces photo catalytiques permettent la fabrication de matériaux auto-décontaminants. Des textiles de ce type fonctionnant à la lumière naturelle peuvent grandement améliorer le niveau d’hygiène dans les pays en développent. L’assemblage couche par couche est bien adapté à la fonctionnalisation de textiles, cette technique permet de construire des revêtements composites hybrides avec un control nanométrique de la composition et de l’architecture, et cela indépendamment de la nature ou de la géométrie de la surface. Ce travail décrit la fabrication de revêtements photo-catalytiques composés de nanoparticules de TiO2 et de polyélectrolytes pour des applications d’auto-décontamination. Nous avons montré qu’il était possible de fabriquer des revêtements poreux et homogènes dont le contenu en photo-catalyseur est ajustable en fonction du nombre de couches et des paramètres de dépôts. Les textiles obtenus montrent des résultats prometteurs pour la dégradation de colorants et de polluants gazeux. La spectroscopie EPR nous a aussi permis d’investiguer les mécanismes de formation et la réactivité des radicaux sous illumination. / Photocatalysis can be efficiently utilized for obtaining self-decontaminating properties of different surfaces. Production of sun driven self-decontaminating textiles can highly improve level of hygiene, especially in undeveloped countries. To prepare coatings on textiles, the Layer-by-Layer assembly method seems to be very attractive as it allows to build multifunctional hybrid materials with controlled nanoscale composition and architecture, regardless of surface type and geometry. This work describes the preparation of photocatalytically active coatings composed of TiO2 nanoparticles and polyelectrolytes for self-decontaminating applications. The quantity of deposited catalysts within the films can be precisely controlled by adjusting the number of layers and the deposition parameters. Coated textiles showed promising results in degradation of dyes and gas pollutants. In order to better understand degradation mechanisms, radical production in films during illumination have been investigated by EPR spectroscopy.

En Europe, l’utilisation en agriculture de grandes quantités d’engrais chimiques est la principale cause de contamination des eaux. Les concentrations en nitrate dans l’eau deviennent nuisibles pour les personnes lorsqu’elles dépassent certaines limites car elles sont la cause de méthémoglobinémie, de cancers et agissent comme perturbateurs endocriniens. L’hydrogénation catalytique hétérogène des nitrates est la méthode de dénitration la plus connue et la plus efficace due à la grande sélectivité pour les produits non toxiques, azote et eau. La photocatalyse hétérogène a émergé comme une voie très prometteuse de dénitration du fait de la possibilité d’utiliser la lumière solaire ce qui la rend commercialement compétitive et compatible avec la protection de l’environnement. Les procédés catalytiques conduisent fréquemment à l’obtention des sous-produits toxiques nitrite et ion ammonium, ainsi qu’à des oxydes d’azote gazeux NOx. Dans ce travail ont été utilisés des catalyseurs monométalliques supportés (Ag/P25, Pt/P25), leur mélange physique, et des catalyseurs bimétalliques supportés (Ag-Pt/P25 et Pd-Sn/P25). Le support oxyde de titane (TiO2) P25 est choisi pour développer un catalyseur performant pour la dénitration à la fois catalytique et photocatalytique permettant d’atteindre les normes requises par l’UE dans l’eau potable (50 mg/L NO3-, 0.5 mg/L NO2-, 0.3 mg/L NH4+). L’influence des teneurs en métaux (Ag: 0.5 – 4 pds.%; Pt: 2 et 4 pds.%), du précurseur Pt (H2PtCl6 (H)/K2PtCl6 (K)), de l’ordre d’imprégnation de Ag et Pt et de la morphologie des particules bimétalliques Pd-Sn (nanoparticules et nanobâtonnets) ont été étudiés. Les conditions expérimentales (présence/absence de H2 ; λ = 254 ou 365 nm; 4W; 45.4 mW/cm2) ont été également variées et les réactions effectuées dans un réacteur batch en PTFE sous atmosphère inerte et dans des conditions standard (catalyseur : 0.7 mg/L ; 100 mg/L NO3- ; 500 r.p.m). Contrairement à la plupart des études précédentes aucun «piégeur de trous» (expl. acides formique ou oxalique) n’a été utilisé dans nos conditions de réaction, Les analyses ont été effectuées par chromatographie ionique ou photométrie. Les propriétés physico-chimiques des catalyseurs ont été déterminées par DRX, Physisorption de N2, MET, DRUV-Vis, XPS, TPR et chimisorption de H2. Le support TiO2 P25 est inactif dans les deux procèdés non photocatalytique et photocatalyique. Le mélange physique Ag/P25+Pt/P25 conduit à une conversion (~ 56%) et sélectivité en N2 (~ 76%) plus élevées dans les conditions non photocatalytiques que chacun des homologues monométalliques, cependant NO2- and NH4+ sont obtenus. Les catalyseurs bimétalliques Ag-Pt(Pt-Ag)/P25 se montrent polyvalents étant actifs dans les procédés non-photocatalytiques et photocatalytiques. Les meilleurs résultats photocatalytiques ont été obtenus sous irradiation ultraviolette de 365 nm et en présence de H2 dû à la synergie entre les électrons générés par irradiation et l’hydrogène dissocié sut Pt. Le Pt imprégné en premier conduit à une conversion plus élevée en raison de l'amélioration de l'accessibilité de NO3- aux sites actifs Ag0 recouvrant partiellement Pt. Toutefois la sélectivité en NO2- est élevée du fait de la faible accessibilité de Pt. Pt imprégné en second décore les ensembles Ag et diminue de ce fait le nombre de sites actifs et la conversion. Le catalyseur bimétallique Pt(4)-Ag(2)/P25(K) conduit au meilleur compromis entre conversion (ca. 45%) et sélectivité en N2 (ca. 80%) dans les conditions photocatalytiques. Ceci est attribué au transfert électronique élevé entre Ag et Pt en forte interaction mis en évidence par XPS. Néanmoins, NO2- et NH4+ sont aussi obtenus. Des travaux sont encore nécessaires pour améliorer le rendement en N2. / In Europe, the agricultural use of nitrates in chemical fertilizers has been a main source of water contamination. High level of soluble nitrate in water becomes harmful pollutant for people when it exceeds the limit causing methemoglobinemia (blue baby syndrome), cancer or act as endocrine disruptor. Conventional catalytic nitrate reduction processes into N2 and H2O lead to some toxic products (NO2-, NH4+, and NOx gases). Alternatively, photocatalytic nitrate removal using solar irradiation and heterogeneous catalysts is a very promising and ecofriendly route, which has been scarcely performed. In this work monometallic supported catalysts (Ag/P25, Pt/P25), their physical mixture, and bimetallic supported catalysts (Ag-Pt(Pt-Ag)/P25 and Pd-Sn/P25) have been used. The support TiO2 P25 was chosen to develop both efficient non-photocatalytic and photocatalytic processes able to reach the EU legislation in drinking water (50 mg/L NO3-, 0.5 mg/L NO2-, 0.3 mg/L NH4+). Different compositions of catalyst including, various metal loadings (Ag: 0.5 – 4 wt%; Pt: 2 and 4 wt%), Pt precursor (H2PtCl6 (H)/K2PtCl6 (K)), Ag and Pt impregnation order, and morphology of Pd-Sn nanoparticles (spherical and nanorods) have been studied. Different experimental conditions (presence/absence of H2; λ = 254 or 365 nm; 4W; 45.4 mW/cm2) have been also evaluated and the experiments performed in a PTFE batch reactor under inert standard operational conditions (0.7 mg/L catalyst ; 100 mg/L NO3- ; 500 r.p.m). Contrary to most previous studies, any hole scavenger (e.g. formic or oxalic acid) was used in the reaction . Analyses were performed by ionic chromatography or photometry. Physico-chemical characterizations of the catalysts were done by XRD, N2-physisorption, TEM, DRUV-Vis, XPS, TPR and H2-Chemisorption in order to explain both the catalytic and photocatalytic performances.The support TiO2 P25 was inactive in both processes. The physical mixture Ag(2)/P25+Pt(4)/P25(H) showed better conversion (ca. 56 %) and N2 selectivity (ca. 76%) under non-photocatalytic conditions than each monometallic catalyst, however NO2- and NH4+ were obtained. Bimetallic Ag-Pt(Pt-Ag)/P25 catalysts exhibit a versatile behavior being active both in the non-photocatalytic and photocatalytic processes. The best photocatalytic conditions were interestingly obtained under the ultraviolet irradiation of 365 nm and in presence of hydrogen. Photocatalytic activity was enhanced in presence of H2 due to synergetic effect induced by light between photogenerated electrons and dissociation of hydrogen on Pt. Therefore, all bimetallic catalysts based on Ag and Pt were tested under these conditions. Pt impregnated first leads to higher conversion due to improved accessibility of NO3- to active Ag0 sites partially covering Pt than the opposite impregnation order where the Pt decorates Ag and reduces the number of active sites. However, high NO2- selectivity at the expense of N2 is obtained in the former case due to low Pt accessibility. The bimetallic catalyst Pt(4)-Ag(2)/P25(K) led to the most interesting conversion (ca. 45%) with the highest selectivity to N2 (ca. 80%) under photocatalytic conditions. This was assigned to the highest electronic transfer between Ag et Pt particles in close contact revealed by XPS. Nevertheless, NO2- and NH4+ are obtained too. Further studies must be done to enhance the catalytic and photocatalytic activity towards desired N2.

Ces dernières années, la photocatalyse hétérogène a connu un essor important comme technique de dépollution de l'eau et de l'air. L'application de ce procédé sur des substrats organiques souples, comme les textiles, présente de nombreux challenges. Les revêtements doivent être photoactifs sans pour autant dégrader les supports. Avec l'utilisation du TiO2 comme photocatalyseur, une bonne fixation des particules est primordiale pour éviter tout relargage dans l'environnement. La structuration des matériaux est également un point important. La porosité des films favorise les interactions polluants/photocatalyseurs mais doit être obtenue à faibles températures pour ne pas décomposer les textiles. Pour se faire, nous avons choisi de synthétiser des revêtements composites en insérant des particules commerciales de TiO2 dans une matrice hybride silicatée, celle-ci servant à la fois de liant au substrat et de couche protectrice. La matrice est préparée par le procédé sol-gel qui permet d'insérer aisément des groupements organiques au réseau silicaté. Ces modifications permettent d'apporter de la flexibilité aux revêtements afin de conserver les propriétés mécaniques des supports. Notre étude s'est consacrée à l'élaboration et à l'optimisation de ces systèmes. Une première partie a été réalisée sur des supports inorganiques afin de définir des comportements modèles, avant de transférer la technologie sur les textiles. L'efficacité des revêtements a été évaluée en phase aqueuse et gazeuse par la dégradation de l'acide formique, du bleu de méthylène et du toluène. La stabilité des supports et des films par rapport aux UV a été suivie par plusieurs techniques analytiques (MEB, XPS, ToF-SIMS, RMN, angle de contact, IR, colorimétrie) en accélérant le photovieillissement des matériaux. Diverses caractérisations mécaniques (abrasion, arrachage, rigidité) sont venues compléter notre étude / Heterogeneous photocatalysis was widely developed these last years for water and air depollution. Applications on organic and flexible substrates, like textiles, induce many challenges. The coating must be photoactive without damaging the media. With the use of TiO2 as photocatalyst, a good fixation of the particles is essential to prevent their release into the environment. The material structuration is also an important point. Film porosity promotes pollutants/photocatalysts interactions but must be obtained at low temperatures to avoid textiles degradation. In this context, we chose to synthesize composite coatings inserting commercial TiO2 particles into a silica matrix used as binder and protective layer. The matrix is prepared by the sol-gel process that allows adding organic groups into the silicate network. Such modification of the structure provides flexibility to maintain the mechanical properties of the supports. Our study is devoted to the development and optimization of these systems. The first part was conducted on inorganic substrates to define models behavior before transferring the technology on textiles. Film efficiency was evaluated in gas and aqueous phase degrading formic acid, methylene blue and toluene. The UV stability of the media and the film was followed by several analytical techniques (SEM, XPS, ToF-SIMS, NMR, contact angle, IR, colorimetry) accelerating the photoaging of the materials. Various mechanical characterizations came to complete our study

Ce travail de thèse s'est inscrit dans le cadre d'un projet collaboratif à finalité industrielle ayant pour but de développer des matériaux composites à propriétés photocatalytiques (à base de nanoparticules de TiO2) obtenus par voie sol-gel pour une application sur substrats organiques (textiles et papiers) : intégration de nanoparticules de TiO2 dans une matrice sol-gel hybride (organique-inorganique) et dispersion de nanoparticules de TiO2 dans des microparticules de silice mésoporeuses. La contribution originale du travail de thèse a consisté à développer des caractérisations par analyse de surface (SEM, XPS et ToF-SIMS) et corréler ces résultats à ceux des tests photocatalytiques (suivi de la dégradation d'un polluant modèle (acide formique) en solution aqueuse sous irradiation UV). En complémentarité avec la question des différents niveaux de porosité des matrices utilisées, les techniques SEM, XPS et ToF-SIMS ont permis de définir différents critères tels que la disponibilité du photocatalyseur (TiO2) en extrême surface mais aussi la modification de la matrice autour du TiO2. Ces critères ont contribué à mieux comprendre les différences de propriétés photocatalytiques des différents matériaux composites déposés en surface des substrats organiques / This thesis work is part of a collaborative project with an industrial purpose aiming at the development of composite materials with photocatalytic properties (composed of TiO2 nanoparticles) obtained by sol-gel process for application on organic substrates (textiles and paper): integration of TiO2 nanoparticles into a sol-gel hybrid (organic-inorganic) matrix and dispersion of TiO2 nanoparticles in mesoporous silica microparticles. The original contribution of this work was to develop characterization by surface analysis techniques (SEM, XPS and ToF-SIMS) and correlate these results to those from the photocatalytic tests (following the degradation of a model pollutant (formic acid) in aqueous solution under UV irradiation). Complementarily to the issue of matrices porosity, surface analysis techniques (SEM, XPS and ToF –SIMS) allowed to define criteria such as availability of photocatalyst (TiO2) at the outermost surface but also the modification of the matrix around the TiO2. These criteria were used to better understand the differences in photocatalytic properties of various composite materials deposited on the surface of organic substrates

La double fonction absorption-photodégradation des composites CA-TiO2 vis-à-vis des polluants biorécalcitrants est une alternative prometteuse pour le traitement de l’eau par voie solaire. Dans ce travail, des composites CA-TiO2 sont élaborés suivants trois méthodes simples basées sur l’utilisation des biomasses trouvées dans la sous région ensoleillée de l’Afrique subsaharienne. Les charbons actifs (CA) obtenus après pyrolyse des biomasses développent une structure poreuse qui se modifie ensuite en fonction de la voie de fixation des nanoparticules TiO2 (NPs-TiO2) pour l’obtention des composites. Parmi les trois vois de fixation du TiO2, l’imprégnation du CA avec le sol de NPs-TiO2 préformées conduit à des matériaux (CAT.SX) avec du TiO2 déposé de façon homogène à la « surface externe » du CA. Cette microtexture permet un meilleur couplage des propriétés adsorption-photodégradation, favorables aux performances de dépollution évaluées à l’échelle de laboratoire sur des solutions de phénol à 100 mg.L-1. Le réseau pores/surface spécifique est moins développé sur les composites obtenus par fixation in situ des NPs-TiO2 sur du CA imprégné de gel de TiO2 (CAT.GX), ou par pyrolyse directe de biomasse pré-imprégnée de NPs-TiO2 (CAT.SBX) ; ce qui explique les performances de dépollution moins élevées enregistrées pour ces deux dernières familles de catalyseurs. Les cinétiques d’élimination du polluant obtenues après plusieurs cycles successifs d’utilisation des catalyseurs CAT.SX ont été correctement simulées avec un modèle dont le formalisme tient compte de la double fonctionnalité des catalyseurs. Ce modèle permet d’envisager le dimensionnement d’installations solaires en condition réelle d’utilisation de ces nouveaux catalyseurs en zones fortement ensoleillée / Adsorption/photodegradation dual property of AC-TiO2 composites materials towards biorefractory pollutants is a promising issue for solar water treatment. In this work, AC-TiO2 hybrid materials have been synthesized through 03 novel routes based on the conversion of typical biomasses, abundantly found in the subsaharian African sunny areas. Biomasses pyrolysis derived activated carbon (AC) developed a porous structure which is modified differently according to the method used to fix TiO2 nanoparticules (TiO2-NPs). AC impregnated with a sol containing TiO2-NPs suspension provides the derived composite material (CAT.SX) with TiO2-NPs regularly deposited at the “external surface”, leading to a good coupling of adsorption/photodegradation activities towards phenol elimination in 100 mg.L-1 polluted water, carried out on lab scale experiments. Pore/surface area network is less developed on composites obtained after in situ fixation of TiO2-NPs on TiO2 gel impregnated AC (CAT.GX), or obtained after direct pyrolysis of TiO2-NPs impregnated biomass (CAT.SBX) – which infers lesser decontamination performances for these two latter families of catalysts. Pollutant elimination kinetics curves depicted after recycling of CAT.SX over several running water treatment was simulated with a suitable mathematical model which takes into consideration the dual functionalities of the elaborated material. The established model is a promising attempt for future dimensioning of real solar water treatment plants, operating in sunny areas with the new composite catalysts.

Dans le domaine du sport, le problème des odeurs sur les vêtements ou chaussures est récurrent et aucune solution réellement efficace n’est proposée à ce jour. Les odeurs corporelles résultent de la dégradation bactérienne de constituants de la peau et de la sueur inodore. Un textile photocatalytique a donc été développé dans le but de dégrader à la fois les odeurs et leur source bactérienne. Le composé modèle odorant choisi pour les tests photocatalytiques en phase gazeuse est l’acide isovalérique. La disparition de l’odeur a été évaluée à l’aide d’un nez électronique. L’évaluation de l’efficacité antibactérienne a été réalisée sur deux souches de micro-organismes cutanés : Staphylococcus Epidermidis et Brevibacterium Linens , selon la norme ISO 20743 adaptée à l’usage de la photocatalyse. Le textile, destiné à servir de revêtement des semelles internes des chaussures Salomon, a été imprégné de TiO2 selon différentes méthodes de dépôt (foulardage, imprégnation par transfert). La teneur en catalyseur, jouant un rôle fondamental dans l’activité photocatalytique du textile, a été optimisée afin de dégrader les composés organiques et les bactéries tout en présentant une bonne tenue du TiO2 aux tests de lavage et d’abrasion. Les résultats ont montré que quelques heures d’irradiation UV-A avec un faible éclairement énergétique (1 mW/cm2) suffisent à dégrader tout l’acide isovalérique ainsi que les micro-organismes déposés sur le textile. Ces résultats suggèrent qu’une exposition des semelles photocatalytiques à un rayonnement solaire pourrait être envisagée pour l’utilisation par les consommateurs. Des tests de terrain de porté de semelle sont en cours pour valider le transfert industriel à grande échelle / So far, the odor issue in sportswears remains unsolved. These odors produced during a physical activity come from the bacterial degradation of components from skin and odorless sweat. A photocatalytic textile has been developed in order to degrade both odors and their bacterial source. The odorant model molecule chosen for gaseous photocatalytic degradation tests is the isovaleric acid. The disappearance of odor was evaluated by using an electronic nose. Antibacterial activity was tested on Staphylococcus Epidermidis and Brevibacterium Linens strains with the ISO 20743 standard adapted for such photocatalytic tests. The textile, used as a lining for Salomon insoles, was impregnated with TiO2 according to different coating methods (padding, kiss-rolling). The TiO2 loading on the textile is a fundamental parameter in photocatalytic activity and has been optimized to degrade organic compounds and bacteria providing a good TiO2 hanging on the fibers after washing and abrasion tests. Results show that only few hours of UV-A irradiation at a low irradiance (1 mW/cm2) are sufficient to degrade all the isovaleric acid and the bacteria on the textile. These results suggest that a solar exposure of the insoles is possible for consumers use. Field tests are in progress using these insoles to validate the industrial large-scale transfer

Ce manuscrit s’intéresse à une filière globale et durable de dépollution des eaux souterraines. Le polluant cible, le tétrachloroéthylène, est un composé organique volatil. La première étape de cette filière est la séparation du contaminant de l’eau. Elle a été réalisée par adsorption sur charbons actifs dans une colonne en lit fixe. Les résultats obtenus en laboratoire sur les capacités et les cinétiques d’adsorption ont permis de montrer l’efficacité de ce procédé. Un modèle issu de ces expériences a représenté correctement des conditions opératoires variées correspondant à celles utilisées dans l’industrie. Ce modèle a été validé par un pilote préindustriel installé sur site et fonctionnant en conditions réelles. La gestion des charbons actifs chargés en polluant a été étudiée. La régénération thermique a été privilégiée. Cette opération présente l’intérêt de rétablir les capacités d’adsorption des carbones activés et de récupérer les polluants en phase liquide. Bien que préférable à la production d’adsorbants, elle pourrait encore être plus durable et compétitive économiquement en effectuant le traitement thermique par voie solaire. Il a été montré que le taux de régénération est le même pour les régénérations solaire et classique. Il est donc possible, dans le cas du tétrachloroéthylène, de remplacer une source d’énergie fossile par le soleil. La solution de distillat obtenue lors de la régénération peut être minéralisée par photocatalyse hétérogène. Cette opération a été réalisée en laboratoire avec une lampe reproduisant le spectre solaire. La faisabilité de la photocatalyse solaire sur le résidu issu de cette filière de dépollution a ainsi été montrée. / This manuscript focuses on a comprehensive and durable treatment of polluted groundwater. The target contaminant, tetrachlorethylene, is a volatile organic compound. The first step in the treatment is the separation of contaminants. It was carried out by adsorption on activated carbons in a fixed bed column. The results obtained in the laboratory on the adsorption capacity and kinetics have shown the efficiency of this process. A mathematic model represented properly the various operating conditions corresponding to those used in the industry. This model has been validated by a pre-industrial pilot installed onsite and operating in real conditions. Management of spent activated carbons was studied. The thermal regeneration was chosen because it has the interest to restore the adsorption capacity of adsorbents and to collect the pollutants in a liquid phase. Although preferable to the production of activated carbons, it could still be economically more competitive and more sustainable by performing the heat treatment by solar means. It has been shown that the regeneration rate is the same for the solar and classical regenerations. It is therefore possible, in the case of tetrachlorethylene, to replace a fossil energy source by the sun.The distillate solution obtained during the regeneration can be mineralized by heterogeneous photocatalysis. This operation was carried out in the laboratory with a lamp reproducing the solar spectrum. The feasibility of solar photocatalysis on the final residue of the water treatment has been shown.

Nous présentons dans ce manuscrit l'élaboration par électrofilage (ES) de nanofibres hybrides métal/oxyde métallique (HMMOC) et leurs caractérisations physico-chimiques. Leurs utilisations dans le cadre d’applications de type « énergie » et « environnement » ont été évaluées. En particulier, la photocatalyse de nanofibres TiO2-Au pour la dégradation en solution aqueuse du bleu de méthylène et l’utilisation de nanofibres WO3-Au comme capteurs de gaz (VOCs) ont été examinées. En lien étroit avec les résultats obtenus sur l'évaluation des performances comme photocatalyseurs ou capteurs à gaz de ces nouvelles structures HMMOC, l'influence de nombreux paramètres a été étudiée : la concentration en ions aurique, la méthode utilisée pour introduire ces derniers à l’intérieur ou les déposer à la surface des nanofibres d’oxydes et finalement le traitement thermique. En effet, on peut soit mélanger directement, avant la procédure d’électrofilage, la solution contenant les ions aurique à la solution polymérique (composée de PVP, PAN, ou PVA contenant le précurseur d'oxyde métallique), soit déposer sous forme de goutte cette solution d’ions Au à la surface des nanofibres d’oxyde métallique une fois la procédure d’électrofilage effectuée. Quant au traitement thermique, il joue un rôle multiple puisqu’il permet à la fois, d’éliminer les composés organiques des solutions polymériques, participant ainsi à la structuration de la partie oxyde du HMMOC, mais aussi de réduire les ions Au sous forme de nanoparticules.Des résultats prometteurs en photocatalyse ont été obtenus sur des fibres optimisées de TiO2 contenant des nanoparticules d’Au de 10 nm (concentration en Au : 4 wt%). En effet, pour cet échantillon, on montre une dégradation 3 fois plus rapide du bleu de méthylène en solution aqueuse que celle obtenue sur les nanofibres de TiO2 de références et sur le catalyseur commercial P25. De la même manière, des nanofibres de WO3 décorées de nanoparticules d’Au de 10 nm, utilisées comme capteurs de gaz, permettent d’obtenir une réponse 60 fois plus importante que dans le cas de nanofibres de WO3 pure et en améliorant grandement la sélectivité par rapport au n-butanol / We present in this manuscript the elaboration by Electrospinning (ES) process of hybrid metal-metallic oxide composite (HMMOC) nanofibers (NFs), and their physical-chemical characterizations. Their applications, especially the photocatalysis of TiO2-Au composite NFs for photocatalytic degradation for methylene blue (MB) in an aqueous solution and WO3-Au composite NFs for gas sensing of the volatile organic compounds (VOCs) have been investigated. According to the performance evaluation results as photocatalyst or gas sensors, the influence of many parameters have been studied: gold ions concentration, the way to introduce them into or at the NFs surface, typically by mixing them into the polymeric solution (composed of PVP, PAN, or PVA with the metallic oxide precursor) before the ES process or by simple droplet deposition onto the NFs after ES process, and finally the annealing treatment. This latter plays an important role since it both removes the organic components of the polymeric solution, thus forming the metal oxide and in-situ participates to the Au reduction.Concerning the photocatalytic properties, an optimized HMMOC material based on TiO2 NFs including 10 nm Au nanoparticles (NPs) has been obtained and shows 3 times significantly improvement of MB degradation compared to pure TiO2 NFs and the commercial catalyst P25. For gas sensing elaboration, we have shown that a HMMOC material based on WO3 NFs decorated at their surface with 10 nm Au NPs can exhibit 60 times higher response and significantly improved selectivity toward n-butanol compared with pure WO3 NFs

Le travail de thèse est consacré à la synthèse, l’élaboration et à l’étude des propriétés physiques d’une famille d’oxydes semi-conducteurs BiVO4 sous formes de nanostructures et de films minces incluant un dopage métallique (Metal = Cu, Mo et Ag) dans le but de réaliser des photocatalyseurs efficaces sous irradiation en lumière visible. La synthèse de nanopoudres dopées a ainsi été effectuée par la technique de broyage planétaire à haute énergie ainsi que par la méthode sol-gel. Les matériaux obtenus et les effets de dopage ont été étudiés sur les caractéristiques structurales, électroniques et optiques. En conjuguant des études par XPS, Raman et RPE, nous avons montré que le dopage substitutionnel est effectivement réalisé pour les ions (Cu, Mo) localisés dans les sites cristallins des ions vanadium alors que le dopage par l’élément Ag contribue à former des clusters métalliques localisés à la surface de nanoparticules de BiVO4 formant ainsi des nanocomposites. Les réactions photocatalytiques ont été étudiées par la dégradation de colorants organiques (Acide bleu 113, méthyle orange (MO)) dans des solutions faiblement concentrées. Parmi les ions dopants substitués dans les matrices hôtes, le dopage au cuivre (Cu2+) a montré de meilleures performances en raison d'une augmentation de la densité de charges photo-générées et de la conductivité électrique par rapport au cas du dopage au molybdène. Pour le dopage à l’argent, la formation de clusters métalliques donnent lieu à des effets de résonances plasmoniques qui améliorent l'efficacité photocatlytique à un niveau équivalent à celui du dopage substitutionnel au cuivre. La deuxième contribution de ce travail a porté sur la réalisation par pulvérisation cathodique rf-magnétron de films minces BiVO4 dopés par des éléments Mo et Cu dans des conditions définies par l'atmosphère de dépôt à base de pressions partielles d’un gaz Ar ou d’un mélange Ar / O2 et des températures de substrats variables jusqu'à 450 ° C. Les paramètres optimaux de dépôt ont été identifiés pour réaliser des films cristallins à faible rugosité de surfaces ou à morphologies en nano-îlots. Des études photocatalytiques utilisant des films minces dopés ont été effectuées par la dégradation des colorants organiques (MO) sous rayonnement visible. Ces études montrent que la morphologie des films avec des surfaces spécifiques importante est aussi un facteur d’amplification des performances photocatalytiques des films minces dopés Me-BiVO4. / The thesis work is devoted to the synthesis and investigations of the physical properties of a family of semiconducting oxides based on BiVO4 as nanostructures or thin films including a metal doping (Metal = Cu, Mo and Ag) in order to achieve effective photocatalysts under visible light irradiation. The synthesis of doped nanopowders was carried out by the techniques of high-energy ball milling and sol-gel. The resulting materials and doping effects were characterized on the structural, electronic and optical properties. By combining XPS, Raman and EPR studies, it was shown that the substitutional doping is achieved for the doping ions (Cu, Mo) being located in the lattice sites of the vanadium ions. Oppositely, Ag doping contributes to form Ag metal clusters located on the surface of nanoparticles of BiVO4 thereby forming nanocomposites. Photocatalytic reactions were studied by the degradation of organic dyes (Acid Blue 113, methyl orange (MO)) in low concentrated solutions. Among the doping ions substituted in the host matrices, Cu2+ showed better photocatalytic performances because of an increase in the density of photo-generated charges and similar effect on the electrical conductivity compared to the case of Mo doping. In the Ag based nanocomposites, the formation of metal clusters seems to induce surface resonance plasmonic effects that improve the efficiency of photocatalytic reactions with respect to the activity demonstrated for substitutional doping. The second contribution of the thesis work was devoted to BiVO4 thin films deposition by rf sputtering process with Mo and Cu doping under defined synthesis conditions such as the partial pressures of Ar gas or an Ar / O2 mixture and varying the substrate temperatures up to 450 ° C. The optimal deposition parameters have been identified to achieve crystalline films with low roughness surface or alternatively with nano-islands morphologies. Photocatalytic studies using doped thin films were carried out through the degradation of organic dyes (MO) under visible light irradiation. The performed measurements show that the film morphology with high specific surface is also a key factor in the amplification of photocatalytic reactions in metal doped thin films.

Cette thèse s’inscrit dans le développement et l’optimisation d’un panel de catalyseurs dopés ou non dopés pour le traitement des eaux usées par un Procédé d’Oxydation Avancée (POA), la photocatalyse hétérogène solaire. Ce procédé de traitement tertiaire pour la dépollution de molécules organiques biorécalcitrantes est limité par l’absorption des catalyseurs dans le domaine de l’UV ne représentant que 5 % du spectre solaire reçu à la surface de la Terre. L’objectif de ce travail est de comparer les efficacités photocatalytiques sous rayonnement UV, visible et solaire dans le but d’améliorer les efficacités dans le domaine de l’UV, de développer un catalyseur exploitant efficacement le rayonnement visible et de définir les paramètres clés régissant les réponses photocatalytiques. Dans cette optique, une étude a été menée sur les catalyseurs de ZnO dopés ou non dopés. L’ensemble des catalyseurs à base de ZnO ont été synthétisé par un seul et même procédé, le sol-gel couplé à un séchage en conditions supercritiques. Les caractérisations structurales, morphologiques, chimiques, optiques et optoélectroniques ont été réalisées en vue de définir leurs paramètres physico-chimiques pour maitriser les conditions de synthèses des catalyseurs. Elles ont également montré que le ZnO dopé décale sa bande d’absorption vers le domaine du visible. Les expérimentations photocatalytiques ont été conduites à l’aide d’un banc de mesure photocatalytique dans le domaine de l’UV, du visible et du solaire. Une attention particulière est portée sur un polluant modèle, le pyriméthanil. En parallèle, ces expérimentations ont été couplées à un modèle cinétique. Les nanoparticules de Zn1-xMxO (M : Ca, Al, Li, V, In, Co, P…) présentent des réponses photocatalytiques prometteuses dans le domaine du visible. Une corrélation a également été mise en évidence entre les propriétés physico-chimiques des catalyseurs et l’efficacité à produire des radicaux. Par ailleurs, une étude plus approfondie a été menée sur le Zn0,90Ca0,10O. Cette étude révèle la présence de défauts structuraux jouant un rôle essentiel sur les réponses photocatalytiques. / This thesis is part of the development and optimization of a doped and undoped panel of catalysts for the treatment of waste water based on an Advanced Oxidation Process (AOP), solar heterogeneous photocatalysis. This tertiary process for bio-recalcitrant organic molecules clean up is limited by the catalysts absorption in the UV range which represent only 5 % of the solar spectrum received on the earth surface. The aim is to compare photocatalytic efficiency under UV, visible and solar irradiation in order to improve efficiency in the UV range, to develop a catalyst which operates effectively under visible irradiation and to define key parameters governing the photocatalytic activities. In this context, a study is performed on doped or undoped ZnO based catalysts. All of ZnO based catalysts are synthesized by the same process, the sol-gel process under supercritical drying conditions. Structural, morphological, chemical, optical and optoelectronical characterizations is carried out to define their physico-chemical parameters in order to control the synthesis conditions of these catalysts. Doped ZnO also showed an absorption edge shift toward the visible range. Photocatalytic experiments are carried out with a photocatalysis optical bench in the UV, visible and solar range. Particular attention is paid on a model pollutant, pyrimethanil. In parallel, these experiments are coupled to a kinetic model. Nanoparticles of Zn1-xMxO (M : Ca, Al, Li, V, In, Co, P…) showed encouraging photocatalytic activities in the visible range. A correlation is showed between the physico-chemical properties of the catalysts and the radicals production efficiency. Furthermore, an extensive study is done on Zn0,90Ca0,10O. This study reveals the presence of structural defects playing a main role on the photocatalytic activities.