La technique de photocatalyse solaire offre une solution prometteuse pour une élimination efficace des polluants pharmaceutiques émergents comme les antibiotiques dans les eaux usées. Les matériaux photocatalytiques à base de semi-conducteurs jouent un rôle crucial dans la dégradation complète de ces nouveaux polluants pharmaceutiques. À ce propos, de nouveaux photocatalyseurs nanocomposites ont montré une performance catalytique importante par rapport aux photocatalyseurs classiques dans la dégradation des antibiotiques dans l'eau. Ces photocatalyseurs nanocomposites surmontent des défis notamment une photo-absorption insuffisante, une mauvaise séparation de charge, un transfert de charge lent, une recombinaison de charge importante, une mauvaise réaction de surface, une stabilité faible et une récupération difficile. Dans ce contexte, nous avons développé des hybride matériaux photocatalytiques nanostructuré et nanocomposite tout en exploitant leur performance pour la dégradation des antibiotiques sous la lumière solaire. Un nouveau matériau de pérovskite ferroélectrique à base de bismuthate de calcium (CaBiO₃) nanostructuré avec une disproportion de différentes multicharges Bi³⁺ et Bi⁵⁺, a été développé via des méthodes de complexation de glycine et d'échange d'ions. La disproportion efficace obtenue de charge Bi³⁺/Bi⁵⁺ et l'arrangement bien organisé du cristal octaédrique de BiO₆ ont offert une photo-absorbance efficace du visible ainsi qu'une photogénération et une séparation importante de porteurs de charge dans CaBiO₃. En outre, les matériaux CaBiO₃ développés présentent une nanostructure avec une surface spécifique plus élevée qui offre des propriétés de surface améliorées en faveur de la réaction catalytique. De plus, les matériaux à base de CaBiO₃ sont étudiés pour la dégradation des antibiotiques de ciprofloxacine et de tétracycline sous la lumière solaire. Un nanocomposite efficace de BiVO₄-APS-C₆₀ a été développé en intégrant les nanoparticules C₆₀ fonctionnalisées par aminosilicate à la surface de nanocouches ultrafines de BiVO₄. L'intégration de C₆₀ sur BiVO₄ a élargi l'absorption de la lumière dans le domaine du visible et a également offert une génération et une séparation efficaces des porteurs de charge photo-induits. En fait, l'aminosilicate a établi une forte interaction interfaciale entre C₆₀ et BiVO₄, ce qui a fourni un transfert de charge efficace et une stabilité remarquable du composite BiVO₄-APS-C₆₀. Par conséquent, BiVO₄-APS-C₆₀ a montré une activité photocatalytique beaucoup plus élevée vis-à-vis la dégradation de ciprofloxacine sous irradiation solaire. Le nanocomposite Bi₂WO₆/NH₂-UiO-66 a été développé par l'incorporation de NH₂-UiO-66 sur Bi₂WO₆ ayant une forme micro/nanoflorale dans le but d'améliorer l'activité photocatalytique pour la dégradation de ciprofloxacine sous l'irradiation de la lumière solaire. L'activité photocatalytique améliorée, expliquée par la formation d'une hétérojonction avec un fort contact interfacial entre Bi₂WO₆ et NH₂-UiO-66, a permis d'élargir le domaine d'absorption lumineuse, de réduire la recombinaison de paires électron-trou photo générées et d'accélérer le transfert des porteurs de charges. L'hétérojonction Bi₂WO₆/NH₂-UiO-66 suit le mécanisme de transfert de charge de type Z-schème et possède des sites hautement réactifs offrant une forte propriété redox au composite Bi₂WO₆/NH₂-UiO-66. / The solar photocatalytic technique is a promising solution for the effective removal of antibiotics, which are emerging pharmaceutical pollutants in water and wastewater. The semiconductor based photocatalytic materials plays crucial role in achieving the complete degradation of these pharmaceutical pollutants. In this direction, the design of nanostructured hybrid photocatalysts shows superior catalytic performance as compared to the conventional photocatalysts towards the effective degradation of antibiotic molecules in water. These nanostructured hybrid photocatalysts overcome the limitations of weak photoabsorption, poor charge separation, slow charge transfer, high charge recombination, limited surface reaction, lesser stability and difficult recovery. In this context, we have developed potential nanostructured and nanocomposite photocatalytic materials and explored their performance in degradation of antibiotics under solar light. Novel ferroelectric perovskite material, nanostructured calcium bismuthate (CaBiO₃) with distinct Bi³⁺ and Bi⁵⁺ multi-charge disproportion was developed via glycine-complexation and ion-exchange methods. The efficient Bi³⁺/Bi⁵⁺ charge disproportion and well-organized BiO₆ octahedral crystal arrangement provided an enhanced visible photo-absorbance and higher charge carrier generation and separation to CaBiO₃ system. The developed CaBiO₃ materials exhibited nanostructure with higher surface area which provided enhanced surface properties for catalytic reactions. Moreover, the developed CaBiO₃ materials were potentially explored for degradation of ciprofloxacin and tetracycline antibiotic drugs under solar light. An efficient BiVO₄-APS-C₆₀ nanocomposite was developed by integrating aminosilicate functionalized C₆₀ nanoparticles on the surface of ultrathin BiVO₄ nanolayers. The integration of C₆₀ on BiVO₄ broadened the light absorption spectrum in the visible light range and offered an enhanced generation and separation of the photoinduced charge carriers. The aminosilicate group established a strong interfacial interaction between C₆₀ and BiVO₄, which provided remarkable charge transfer efficiency and stability for BiVO₄-APS-C₆₀ composite. The as-synthesized BiVO₄-APS-C₆₀ displayed high photocatalytic activity towards ciprofloxacin degradation under solar light irradiation. Bi₂WO₆/NH₂-UiO-66 nanocomposite was designed incorporating NH₂-UiO-66 with Bi₂WO₆ micro/nanoflower for enhanced photocatalytic activity towards ciprofloxacin degradation under solar light irradiation. The improved photocatalytic activity attributed to the formation of heterojunction with strong interface contact between Bi₂WO₆ and NH₂-UiO-66, broadened the photoabsorbance range, reduced photogenerated electron-hole pair recombination, and accelerated charge carrier transfer. The Bi₂WO₆/NH₂-UiO-66 heterojunction follows Z-scheme charge transfer mechanism with high surface reactive sites providing strong redox property to Bi₂WO₆/NH₂-UiO-66 composite.

Titre de l'écran-titre (visionné le 14 août 2023) / Des études récentes se sont concentrées sur la production d'énergie à partir de sources différentes des combustibles fossiles. Parmi ces autres sources, la production d'hydrogène vert par photocatalyseurs a attiré l'attention ces dernières années, en particulier l'utilisation de cadres métallo-organiques (MOF) qui a donné des résultats en matière de production d'hydrogène grâce à la surface élevée, à la taille adéquate des pores, à la grande stabilité et à la composition ajustable de ce type de matériaux. Néanmoins, ces matériaux souffrent de la recombinaison des charges électron-trou, de problèmes de stabilité et d'une faible absorption de la lumière. Pour améliorer les performances des MOF, de nombreuses méthodes de synthèse sont mises en place, ainsi que des stratégies qui impliquent l'utilisation de co-catalyseurs, la modification superficielle et le dopage, entre autres. L'une des stratégies explorées consiste à tirer parti des phénomènes de résonance plasmonique locale (LSPR) affichés par des nanoparticules de métaux nobles de tailles spécifiques. Ces nanoparticules améliorent les propriétés d'absorption de la lumière du MOF et génèrent des paires électron-trou qui peuvent être facilement transférées à des matériaux liés pour conduire des réactions d'oxydoréduction dans les centres actifs du matériau. Pour tirer parti de cet effet, il est important de contrôler la taille des nanoparticules, la méthode de liaison avec le photocatalyseur et la morphologie, entre autres. Le présent document donne un aperçu des différents matériaux utilisés pour la production d'hydrogène, des différentes techniques permettant d'améliorer les performances de ces matériaux, comme les matériaux à effet LPRS, les photocatalyseurs à atome unique et les MOF de porphyrine, afin d'identifier les opportunités et les défis liés à la mise en œuvre de ces matériaux pour la production photocatalytique d'hydrogène. / Recent studies have focused on the generation of energy from sources different than fossil fuels, among these other sources, the green hydrogen generation through photocatalysts has gained attention in recent years, particularly the use of metal-organic frameworks (MOFs) has shown results towards hydrogen generation thanks to the high superficial area, adequate pore size, high stability and the tuneable composition of these type of materials. Nevertheless, these materials suffer from electron-hole charge recombination, stability problems, and poor light absorption. To enhance the performance of MOFs multiple synthetic methods are implemented, as well as strategies that involve the use of co-catalysts, superficial modification, and doping, among others. One of the strategies explored consists in taking advantage of the local plasmonic resonance phenomena (LSPR) displayed by noble metal nanoparticles with specific sizes, these nanoparticles will improve the light absorption properties of the MOF and will generate electron-hole pairs which can be easily transferred to linked materials to conduct redox reactions in the active centers of the material. To take advantage of this effect is important to control the size of the nanoparticle, the linkage method with the photocatalyst, and the morphology, among other factors. Herein, this document provides an overview of the different materials used for hydrogen generation, the different techniques for enhancing the performance of these materials, and a more in-depth view of LPRS effect materials, single atom photocatalysts, and porphyrin MOFs, to identify the opportunities and challenges on the implementation of these materials for photocatalytic hydrogen generation.

Afin de résoudre les problèmes environnementaux et énergétiques modernes, ces dernières années ont vu le développement de catalyseurs photocataytiques capables d’utiliser la lumière solaire. En effet, les possibles applications des semiconducteurs présentant des propriétés photocatalytiques dans les domaines de la production d’hydrogène ou la dégradation de polluants organiques ont généré un grand intérêt de la part de la communauté scientifique. Actuellement, les photocatalyseurs à base de dioxyde de titane (TiO₂) et de nitrure de carbone graphitique (g-C₃N₄) sont considérés comme les matériaux les plus étudiés pour leurs faibles coûts et leurs propriétés physico-chimiques exceptionnelles. Cependant, la performance photocatalytique de ces matériaux reste encore limitée, à cause de la recombinaison rapide des porteurs de charge et et d'une absorption limitée de la lumière. En générale, malgré des caractéristiques exceptionnelles, ces matériaux ne contribuent pas significativement à la séparation de charge et l’absorption de la lumière lorsqu’ils sont produits par des méthodes conventionnelles. L'objectif de cette thèse est de développer de nouvelles voies pour la production de matériaux efficaces basés sur TiO₂ et g-C₃N₄). Nous avons d'abord préparé de la triazine (CxNy) qui fonctionne comme un co-catalyseur d'oxydation ce qui facilite la séparation des paires «électron-trou» dans le système du photocatalyseur creux de type Pt-TiO₂-CxNy. La présence simultanée de Pt et de CxNy, qui servent comme co-catalyseurs de réduction et d'oxydation, respectivement, a permis une amélioration remarquable des performances photocatalytiques du TiO₂. De plus, nous avons développé une nouvelle approche, en utilisant un procédé de combustion de sphère de carbone assisté par l’air, pour préparer du C/Pt/TiO₂ . Ce matériau possède de nombreuses propriétés uniques qui contribuent de manière significative à augmenter la séparation « électron-trou », et en conséquence, à améliorer la performance photocatalytique. Dans le but de développer un matériau qui soit capable de fonctionner sous les rayons du soleil et dans l'obscurité, nous avons développé un photocatalyseur creux à double enveloppes : le Pt-WO₃/TiO₂-Au. Ce matériau a montré non seulement une forte absorption de la lumière solaire, mais aussi une séparation des charges élevée et une haute capacité de stockage d'électrons. Par conséquent, ce type de photocatalyseurs a montré une dégradation efficace des polluants organiques, à la fois sous la lumière visible (λ ≥ 420 nm) et dans l'obscurité. En ce qui concerne le g-C₃N₄, nous avons exploité la relation entre les lacunes d’azote et les propriétés plasmoniques des nanoparticules d’or (Au). Ce type de photocatalyseur du Au/g-C₃N₄ a été préparé en présence d’alcali suivi par une post calcination. En effet, les lacunes d’azote ainsi produites permettent le renforcement des interactions entre l’or et le g-C₃N₄ et des propriétés plasmoniques de l’or. Ces caractéristiques exceptionnelles renforcent l'utilisation efficace de l’énergie solaire ainsi que la séparation des paires « électron-trou », ce qui contribuent à la performance photocatalytique pour la production d'hydrogène du photocatalyseur. Afin d’améliorer la capacité d’absorption de la lumière visible de g-C₃N₄, une nouvelle voie de synthèse dénommée « poly-alcaline » a été développée. La possibilité d’ajouter du polyéthylèneimine (PEI) et de l’hydroxyde de potassium (KOH) pour générer de nombreux centres lacunaires en azote ainsi que des groupes hydroxyles dans la structure du matériau, a été explorée afin d’optimiser l’efficacité du matériau. De telles modifications ont démontré leurs capacités à réduire la bande interdite et à provoquer plus facilement la séparation de charges améliorant ainsi les propriétés photocatalytiques du photocatalyseur vis-à-vis de la production d’hydrogène. Cette méthode ouvre donc une nouvelle voie d’avenir pour préparer des photocatalyseurs nanocomposites efficaces possédant à la fois, une forte d’absorption de la lumière et une bonne séparation de charges. / The utilization of solar light-driven photocatalysts has emerged as a potential approach to deal with the serious current energy and environmental issues. Over the past decades, semiconductor-based photocatalysis has attracted an increasing attention for diverse applications including hydrogen production and the decomposition of organic pollutants. Currently, titanium dioxide (TiO₂) and graphitic carbon nitride (g-C₃N₄)-based photocatalysts have been considered as the most investigated materials because of their low cost, outstanding physical and chemical properties. However, their photocatalytic performances are still moderate owing to the fast charge carrier recombination and limited light absorption. The main target of the research presented in this thesis is to develop novel routes to prepare efficient materials based on TiO₂ and g-C₃N₄. These materials possess prominent features, which contribute to address the fast charge separation and light absorption problems. We firstly have prepared triazine (CxNy) acting as an oxidation co-catalyst, which efficiently facilitates electron-hole separation in a Pt-TiO₂-CxNy hollow photocatalyst system. The co-existence of Pt and CxNy functioning as the reduction and oxidation co-catalysts, respectively, has remarkably enhanced the photocatalytic performance of TiO₂. Next, we have also developed a new approach employing the air- assisted carbon sphere combustion process in preparing C/Pt/TiO₂. This material possesses many salient properties that significantly boost the electron-hole separation leading to enhanced photocatalytic performance. In an attempt to design a material that can operate under sunlight and in darkness, we have introduced Pt-WO₃/TiO₂-Au double shell hollow photocatalyst. The material has shown not only strong solar light absorption but also efficient charge separation and electron storage capacity. As a result, this type of photocatalyst exhibits a high activity performance for the degradation of organic pollutants both under visible light (λ ≥ 420 nm) and in the dark. Regarding to g-C₃N₄, we have explored the relationship between nitrogen vacancies and the plasmonic properties of Au nanoparticles employing alkali associated with the post-calcination method to prepare Au/g-C₃N₄. In fact, the produced nitrogen vacancies in the structure of g-C₃N₄ essentially enhance the interaction at Au/g-C₃N₄ interface and the plasmonic properties of Au nanoparticles. These outstanding features contribute to enhance the utilization of solar light and electron-hole separation that prompt the photocatalytic performance towards hydrogen production. Finally, we have employed a novel poly-alkali route to prepare a strong visible light absorption photocatalyst-based g-C₃N₄. The co-existence of PEI and KOH, which induces numerous nitrogen vacancies and incorporated hydroxyl groups in the structure of the resulted material, has been explored for the first time. These modifications have been proved to narrow the bandgap and facilitate the charge separation leading to enhance the solar light-driven hydrogen production. This method also opens up a new approach to prepare efficient nanocomposite photocatalysts possessing both strong light absorption and good charge separation.

353121\u / The utilization of solar light-driven photocatalysts has attracted an increasing attention in creating green energy and purifying environment from harmful pollutants. In photocatalysis technology, semiconductor-based photocatalysis has diverse applications including the decomposition of organic pollutants. In particular, titanium dioxide (TiO₂)-based photocatalysts have been extensively studied because of their low cost and outstanding physical and chemical properties. However, the photocatalytic performance of TiO₂ is not very high due to the weak light absorption and the fast charge carrier recombination. Therefore, the main target of the research presented in this thesis is to develop new methods to prepare more efficient materials based on TiO₂ for organic pollutants decomposition. For this purpose, the uniform titanate nanodisks (TNDs) with an average diameter of 22 nm were first synthesized by using different types of capping agents, including benzyl alcohol (BA), benzyl ether (BE) and oleylamine (OM). SiO₂ nanospheres (SiO₂ NSs) in nanoscale diameter as the core of the structure were then coated with TNDs using a layer-by-layer deposition technique in the presence of polyethylenimine (PEI) solution to design the TND-PEI/SiO₂ NSs. Based on the developed TND-PEI/SiO₂ NSs, creating a heterojunction between TiO₂ and other visible light active semiconductors is one of the interesting ways to optimize and enhance performance of TiO₂ in the visible region. In order to synthesize these TiO₂-based heterojunction composites, several cation (Cu²⁺, Ni²⁺, and Pt²⁺) solutions were loaded over TND-PEI/SiO₂ NSs to obtain CuO/TiO₂/SiO₂, Ni²⁺/TiO₂/SiO₂ or Pt²⁺/TiO₂/SiO₂ materials, respectively. The co-existence of CuO, Ni²⁺, and Pt²⁺ functioning as co-catalysts led to a remarkable enhancement of the photocatalytic performance of TiO₂. The new developed materials have shown not only high porosity and high specific surface area, but also strong solar light absorption. As a result, the photocatalytic activity of these new materials and the effect of different co-catalysts were investigated in the photocatalytic decomposition of methanol. TiO₂-based heterojunction composites (CuO/TiO₂/SiO₂) was further treated by H₂S. This non-metal doping TiO₂ is a well-known and effective way to decrease the band gap, which can result in the absorption of more visible light. The photodegradation of methanol in aqueous solution was deployed to test the photocatalytic activities of TiO₂-based material and further widens its applications in water treatment. These modifications proved that the light absorption of CuO/TiO₂ was improved compared with Ni²⁺/TiO₂ and Pt²⁺/TiO₂. CuO/TiO₂ material after H₂S treatment was found to exhibit a good performance in the degradation of methanol from aqueous solutions under solar light irradiation.

Le processus de photocatalyse est l'un des moyens prometteurs d'utiliser l'énergie solaire à grande échelle pour différents types d'applications tels que la production d'hydrogène comme énergie propre ou encore la purification de l'eau et l'air contre les polluants et les produits chimiques nocifs. Néanmoins, le pourcentage de l’énergie du rayonnement solaire utilisé est généralement inférieur à 1%, en raison de la faible absorption de la lumière solair, de la rapide recombinaison de charge « électron-trou paires » et de l'instabilité photochimique. La modification de la structure des semi-conducteurs et la création de photocatalyseurs nanocomposites peuvent aider à surmonter ces problèmes. Le TiO2 est le photocatalyseur le plus étudié en raison de ses propriétés physiques et chimiques imortantes dans le processus de photocatalyse. Bien que son faible coût encourage à l'utiliser à grande échelle, sa largeur de bande interdite (EG =3.2 eV) importante, qui ne peut être activée que par irradiation UV, et sa vitesse de recombinaison des charges, ont limité son utilisation dans les applications industrielles. La création d'une hétérojonction entre TiO2 et d'autres semiconducteurs actifs sous la lumière visible est l’un des moyens les plus prometteurs pour utiliser les propriétés du dioxyde de titane dans la région du visible. De plus, le nitrure de carbone graphitique (g-C3N4) a été largement étudié pour la production d'hydrogène sous irradiation lumineuse visible. Malgré le fait qu'il peut être actif dans la région du visible et réduire les protons pour générer de l'hydrogène, son efficacité est considérablement limitée en raison de son taux de recombinaison de charge élevé et de sa faible surface spécifique. Nous avons synthétisé un photocatalyseur nanocomposite de g-C3N4 et TiO2 afin d’améliorer la procédure de séparation des charges et donc de produire plus d'hydrogène. Des nanodisques de titanate uniformes (TND) avec un diamètre compris entre 12 et 35 nm ont été synthétisés à l’aide d’une méthode solvothermale. Les feuilles nanométriques de g-C3N4 ont été synthétisés par des techniques de sonication, puis ont été mélangées avec des TND. Après cela, une étape de calcination a non seulement généré des contacts intimes avec deux semi-conducteurs, mais aussi converti les TND en nanoparticules de TiO2. En raison de la position des bandes de valence et de conduction des deux semi-conducteurs, les électrons photogénérés sont en mesure de passer du g-C3N4 au TiO2. Grâce à l’ajout de Pt comme cocatalyseur ainsi que comme fournisseur de sites actifs, les électrons photoexcités sont en capacité de réduire les protons de l'eau et de générer du dihydrogène. Cette hétérojonction pourrait produire plus du double l’hydrogène que le gC3N4 pur dans les mêmes conditions. Nous avons créé une nouvelle forme de feuille nanométrique de g-C3N4 contenant des lacunes de carbone avec des trous dans tous les plans de feuille. Après la synthèse du matériau de vrac g-C3N4 à partir du dicyandiamide, le matériau obtenu a été chauffé à 650 ° C sous argon pendant 2 h. Après avoir refroidi, il a été calciné à nouveau à 500 ºC pendant 2 heures sous air. Ainsi, sa surface spécifique a été considérablement augmenté de 28 m2.g-1 de g-C3N4 à 160 m2.g-1. En outre, ces traitements par étapes ont introduit certains défauts tels que des lacunes de carbone à l'intérieur de la structure des feuilles nanométriques de g-C3N4. Ces derniers ont fourni des sites photocatalytiques hautement actifs pour l'évolution de l'hydrogène. Par conséquent, sa production d'hydrogène est dix fois supérieure à celle du g-C3N4 brut sous irradiation de la lumière visible. Il a montré une efficacité quantique très élevée de 29,2% et 21,3% à 400 nm et 420 nm, respectivement. Enfin, nous avons généré une solution solide de zinc-cadmium (ZnxCd1-xS) par synthèse solvothermale en utilisant des précurseurs de glycérates métalliques de Cd et Zn. Ensuite, le matériau a été calciné (500 ºC pendant 4 heures) et traité avec H2S à 450 ºC pendant 2 heures. Ainsi, une solution solide homogène de ZnxCd1-xS avec structure cristallographique de wurtzite hexagonale a été formée. Il convient de mentionner que le semi-conducteur obtenu peut absorber une large partie du spectre visible, de plus, sa largeur de bande interdite est fortement affecté par le rapport Zn / Cd et varie entre 2,35 et 3,4 eV (0≤x≤1). Les meilleurs résultats pour l'évolution de l'hydrogène ont été obtenus à partir de l'échantillon Zn30Cd70S avec dépôt de MoS2 comme cocatalyseur. Il peut générer de l'hydrogène dans des longueurs d'onde les plus longues de la région de la lumière visible et ses rendements quantiques sont : 46,6% à 400 nm à 23,4% à 500 nm ainsi que 11,3% à 550 nm. / Photocatalysis process is one of the promising ways to use solar energy in large scale for various kind of application including producing hydrogen as clean energy and purify water and air from harmful pollutants and chemicals. Nevertheless, the solar conversion efficiency of photocatalysts are usually below 1% because of weak sunlight absorption, high charge recombination and high photochemical instability. Modifying semiconductor structure and creating nanocomposite photocatalyst can help to overcome these issues. TiO2 is the most well-known photocatalysts because of its physical and chemical properties in photocatalysis process. Although its low cost encourages people to utilize it in large scale, its large band gap, which can only be activated under UV irradiation, and high rate of charge recombination, limited its usage in industrial applications. Creating an heterojunction between TiO2 and others visible light active semiconductor, is one of the best way to take advantage of TiO2 in visible region. Furthermore, graphitic carbon nitride (g-C3N4) has been widely investigated for its potential in hydrogen production under visible light irradiation. Despite the fact that it can activated in visible light region and reduce protons to generate hydrogen, its efficiency is considerably limited because of its high rate of charge recombination and low specific surface area. We synthesized a nanocomposite photocatalyst of g-C3N4 and TiO2 in order to increase charge separation procedure and so it can produce more hydrogen. Uniform titanate nanodisks (TNDs) with diameter between 12 and 35 nm were synthesized with a solvothermal method. Nanosheets of g-C3N4 were synthesized via sonication techniques and then were mixed with TNDs. After that, a calcination step not only made intimate contacts with two semiconductors, but also converted TNDs into TiO2 nanoparticles. Due to the position of conduction band edges of two semiconductors, photogenerated electrons could transfer from g-C3N4 to TiO2. There with a help of Pt as a cocatalyst and active sites provider, photoexcited electrons reduced protons from water and generated hydrogen. This heterojunction could produce more than double hydrogen as pristine g-C3N4 under the same conditions. We created a novel g-C3N4 nanosheets with carbon vacancies and nanoholes throughout nanosheet planes. After synthesis g-C3N4 bulk material from dicyandiamide, the obtained material was heated to 650 ºC under argon flow for 2 hr. After it cooled down, it was calcined again at 500 ºC for 2 hr. As a result, its specific surface area increased significantly from 28 m2 g-1 of bulk g-C3N4 to 160 m2 g-1. Moreover, these stepwise treatments introduced some defects as carbon vacancies inside the structure of g-C3N4 nanosheets. They provided highly active photocatalytic sites for hydrogen evolution. Therefore, its hydrogen production was ten times higher than bulk material of g-C3N4 under visible light irradiation. It showed very high quantum efficiencies of 29.2% and 21.3% at 400 nm and 420 nm, respectively. Finally, we generated zinc cadmium solid solution (ZnxCd1-xS) with synthesizing metal-glycerate of Cd and Zn via solvothermal method. Then, the material was calcined (500 ºC for 4 hr) and treated with H2S at 450 ºC for 2hr. Thus, an homogeneous solid solution of ZnxCd1-xS with hexagonal wurtzite crystal structure was formed. It should be mentioned that the obtained semiconductor could absorb a wide range of visible light energy and its band gap is strongly affected by Zn/Cd ratio and varies between 2.35 and 3.4 eV (0≤x≤1). The best results for hydrogen evolution was gained from Zn30Cd70S sample with depositing MoS2 as a cocatalyst. It could generate hydrogen in longer wavelengths of visible light region and its quantum efficiencies were: 46.6 % at 400 nm to 23.4% at 500 nm as well as 11.3% at 550 nm.

La photocatalyse hétérogène est une technique d'oxydation utilisée pour l'élimination des Composés Organiques Volatils (COV). L'objectif est d'étudier la dégradation des COV initiaux et la production d'intermédiaires réactionnels lors de la mise en oeuvre de ce procédé dans des conditions proches de l'air intérieur (concentration des COV en mélange). TroisCOV modèles (toluène, décane, trichloréthylène) sont étudiés séparément puis en mélange dans un réacteurstatique puis dans un réacteur dynamique multi-pass. Les résultats obtenus montrent que (i) l'efficacité dedégradation dépend de la nature et du nombre de COV à traiter, des caractéristiques du média photocatalytiqueet des conditions opératoires, (ii) les intermédiaires majoritaires et les plus persistants sont les aldéhydeslégers, (iii) l'élimination des aldéhydes est inhibée lorsque les COV initiaux sont en mélange, (iv) l'augmentation du temps de résidence sur le matériau photocatalytique permet une élimination plus rapide des COV initiaux et des sous-produits.

La dégradation photoinduite du Monuron (herbicide) a été étudiée dans trois systèmes différents produisant des radicaux hydroxyle : en présence du complexe Fe(III)Cit, dans une suspension de TiO2 et dans un système combiné Fe(III)Cit / TiO2. Le but principal était d'améliorer l'efficacité photocatalytique. La spéciation et la photoactivité du complexe ont été déterminées en fonction du pH. La cinétique de dégradation du Monuron photoinduite par le complexe se fait en deux étapes avec deux sources successives de radicaux °OH : 1) photolyse du complexe ; 2) cycle photoredox du fer. La présence de TiO2 améliore l'efficacité du système Fe(III)Cit à pH acide alors qu'à pH neutre l'efficacité du système est complètement inhibée. La concentration en oxygène et le pH sont les facteurs clés en présence du complexe Fe(III)Cit. De plus, dans un système pilote utilisant du TiO2, l'influence d'un solvant organique lors de la dégradation du 4-chlorophénol en milieu aquatique a été examinée.

Cette étude s’inscrit dans le cadre de l’amélioration des connaissances sur la dégradation photocatalytique des bioaérosols bactériens. La photocatalyse est une technique d’épuration basée sur l’excitation d’un semi-conducteur par un rayonnement le plus généralement ultraviolet. Cette technologie permet, en théorie, de minéraliser pas à pas les polluants. Or, si les conditions optimales ne sont pas réunies, la minéralisation incomplète peut conduire à des sous-produits de dégradation de toxicité potentiellement préoccupante.L’objectif de ces travaux a donc été d’apporter des éléments de compréhension quant aux mécanismes de dégradation photocatalytique d’un bioaérosol bactérien modèle d’E.coli, où de nombreux phénomènes sont couplés. Ainsi, pour distinguer les différents processus mis en jeu, deux approches expérimentales ont été menées. La première, nommée approche « batch », a permis d’isoler la réaction photocatalytique, à proprement parler, en étudiant les étapes d’inactivation, de libération de sous-produits et de minéralisation progressive. La seconde, appelée approche « dynamique » a permis quant à elle la mise en place d’un dispositif expérimental adapté à la dégradation photocatalytique d’un bioaérosol d’E.coli. Les capacités de la photocatalyse à inactiver et minéraliser des espèces bactériennes ont pu être démontrées. Les paramètres clés d’une dégradation efficace ont été mis en évidence et ont permis de décrire les verrous indispensables à une industrialisation sûre du procédé / This study comes within the scope of improving knowledge concerning the photocatalytic degradation of bacterial bioaerosol. Photocatalysis is a purification technology generally based on the excitation of a semiconductor by an ultraviolet radiation. This technology can, in theoretical ways, mineralize pollutants step by step. However, if optimal conditions are not gathered, this mineralization is incomplete and can lead to the formation of potentially toxic by-products. The aim of this work was therefore a better understanding of the mechanisms of photocatalytic degradation of a bacterial bioaerosol of E.coli, where numerous phenomenon are linked. Thus, to distinguish the different processes, two experimental approaches were used. The first one, called “batch approach”, allowed to consider the photocatalytic reaction itself, by studying the steps of inactivation, by-products formation and progressive mineralization. The second one, named “dynamic approach”, consisted to design an experimental setup suited to the photocatalytic degradation of a bioaerosol of E.coli. The abilities of photocatalysis to inactivate and mineralize bacteria could be demonstrated. The key parameters of an efficient degradation were highlighted and allowed to underline the problems to solve before having a safe industrialization of the photocatalysis

Actuellement, les systèmes d’épuration des eaux n’ont pas été conçus pour éliminer les substances médicamenteuses notamment les hormones (estrogènes). Ces molécules sont ainsi déversées dans le milieu naturel et contaminent les rivières. Le 17 α-éthinylestradiol a été choisie comme molécule modèle pour illustrer la présence d’un perturbateur endocrinien dans une eau résiduaire. Cette molécule présente un réel risque pour la faune et la flore (Féminisation des poissons mâles, diminution de la reproduction…). L’objectif de ce travail est d’évaluer l’efficacité de la photocatalyse et de l’ozonation pour éliminer l’Ethinylestradiol dans les eaux. Le procédé d’oxydation utilisant l’ozone a été appliqué dans un premier temps sur des solutions concentrées d’éthinylestradiol (EE2 = 10 mg/L) préparées dans une eau ultrapure tamponnée afin de mieux comprendre les mécanismes d’élimination de ce composé et d’évaluer l’efficacité en terme de taux de conversion de EE2 et de la minéralisation du substrat. Les expériences réalisées ont permis de montrer que l’ozone est un oxydant très efficace pour oxyder l’éthinylestradiol. L’oxydation se fait essentiellement par réaction directe de l’ozone sur la molécule d’EE2 alors que sa minéralisation nécessite la conversion de l’ozone en radicaux hydroxyles qui vont ensuite réagir sur la structure saturée de la molécule organique. L’étude de l’ozonation de solutions EE2 à différentes concentrations a permis d’établir une relation entre la concentration initiale en polluant dans l’eau et la dose d’ozone à introduire pour éliminer ce composé à un pH proche de la neutralité. Cette relation a été utilisée pour estimer la dose d’ozone à appliquer pour une eau contaminée par EE2 à une concentration proche de celle rencontrée dans les eaux résiduaires et comparée à celle obtenue sur une eau provenant de la station d’épuration du Bourget du Lac. L’efficacité du procédé photocatalytique a été évaluée en travaillant sur les vitesses de disparition et de minéralisation de EE2 en présence de TiO2 «Degussa P25» et TiO2 PC500. Les cinétiques d’adsorption et de dégradation photocatalytiques ont été évaluées dans une gamme de concentration allant de 1 à 10 mg/L en travaillant à différentes masses de photocatalyseur. Les constantes d’adsorption et de vitesse, modélisés avec les modèles de Langmuir et Langmuir-Hinshelwood respectivement révèlent, (1) des propriétés d’adsorption et de photocatalyse plus importante pour le photocatalyseur TiO2 «Degussa P25», (2) des constantes d’adsorption différentes en présence ou en absence d’irradiation et aucune proportionnalité entre quantité de EE2 adsorbée et concentration en photocatalyseur. Cette absence de corrélation est expliquée en considérant la taille des particules. La formation d’agrégats de plus en plus important est observée en augmentant la masse de TiO2. La minéralisation de EE2 est totale après moins d’une heure d’irradiation en travaillant avec une puissance lumineuse de 5,5 mW/cm2 et 10 mg/L de EE2 indiquant l’efficacité de ce procédé. / Currently, systems for water treatment have not been designed to eliminate drug substances such as hormones (estrogen). These molecules are thus discharged into the environment and contaminate rivers. The 17 α-ethinylestradiol has been chosen as model molecule to illustrate the presence of an endocrine disrupter in water waste. This molecule presents a real risk to wildlife (feminization of male fish, reduced reproduction ...). The objective of this work is to evaluate the effectiveness of photocatalysis and ozonation to remove Ethinylestradiol waters. The oxidation process using ozone was applied initially in concentrated solutions of ethinylestradiol (EE2 = 10 mg / L) prepared in ultrapure water buffered to better understand the mechanisms of elimination of this compound and evaluate the effectiveness in terms of conversion rate of EE2 and mineralization of the substrate. Experiments have shown that ozone is a very effective oxidant for oxidation of ethinylestradiol. Oxidation occurs mainly by direct reaction of ozone on the molecule while EE2 mineralization involves the conversion of ozone into hydroxyl radicals which will then react on the structure of the saturated organic molecule. The study of ozonation of EE2 solutions at different concentrations has established a relationship between the initial concentration of pollutant in the water and the dose of ozone introduced to eliminate this compound at a pH near neutrality. This relationship was used to estimate the dose of ozone applied to water contaminated with EE2 at a concentration close to that found in wastewater and compared to that obtained water from the treatment plant Bourget du Lac. In the second part of our work, we studied the advanced oxidation process "Photocatalysis". The adsorption and photodegradation of EE2 were performed on the surface of TiO2 Degussa P25 "and under UV radiation (λ = 365 nm). The results were modeled using the model of Langmuir and Langmuir Hinshelwood respectively. These models allowed us to determine for different masses of TiO2 quantities of EE2 adsorbed on the surface of TiO2 and the constants of adsorption in the dark under UV light, and the rate constants. These values were compared to those obtained under the same conditions but on a different type of catalyst TiO2 PC500. The measurement of particle size of TiO2 shows the formation of agglomerates increasingly important function of the mass of catalyst TiO2 PC500 and it allowed us to explain the values of the constants of adsorption and kinetic results

L'implantation dans l'industrie de la photocatalyse nécessite de nouvelles recherches afin de contrôler et dimensionner les réacteurs photocatalytiques. Une solution innovante concerne la microstructuration des réacteurs. En effet, elle permet d'augmenter l'efficacité catalytique en améliorant le contact du polluant avec le catalyseur. L'objectif de la thèse concernait la destruction d'un polluant modèle, l'acide salicylique, par un catalyseur (TiO2) déposé au fond d'un microcanal. La recherche repose sur des expérimentations mais aussi sur des simulations permettant de prévoir la dégradation photocatalytique pour une configuration de réacteur donnée. Dans nos conditions expérimentales de faible débit, nous avons mis en évidence une dispersion axiale et un gradient de concentration entre la surface catalytique et le milieu réactionnel. En tenant compte des conditions d'écoulement, nous avons montré que le gradient de vitesse est plus marqué dans les microréacteurs de faible section de passage. Ce gradient favorise la formation de zones de recirculation près de la surface catalytique créant ainsi des conditions favorables au contact entre le polluant et la surface catalytique. A l'aide d'un logiciel numérique, nous avons simulé la réaction de dégradation photocatalytique qui permet de rendre compte de nos résultats expérimentaux. D'une part, le rôle primordial de la diffusion vers la surface catalytique a été mis en évidence. D'autre part, la simulation numérique nous a permis d'établir la relation du nombre de Sherwood en fonction des nombres de Reynolds, de Schmidt et du diamètre hydraulique du microcanal. Cette relation permet d'estimer la constante de transfert de matière pour représenter correctement la dégradation quel que soit le type de microréacteur envisagé / Industrial photocatalysis applications requires further research to control and design photocatalytic reactors. The micro structuring of reactors is an innovative solution. It increases the catalytic efficiency by improving the contact of the pollutant with the catalyst. Thesis aim concerned the destruction of a model pollutant, salicylic acid, with deposited catalyst (TiO2) at the bottom of a microchannel. The research is based on experiments and simulations to predict the photocatalytic degradation for a given reactor configuration. In our experimental conditions of low flow, an axial dispersion and a concentration gradient between the catalyst surface and the reaction medium have been demonstrated. We have shown that the gradient of velocity is more pronounced in low cross section microreactors. This gradient allows the formation of recirculation zones near the catalytic surface thus creating favorable conditions for contact between the pollutant and the catalytic surface. Using numerical soft, we have simulated the reaction of photocatalytic degradation to represent our experimental results. On a one hand, the role of diffusion to the catalytic surface has been demonstrated. On the other hand, numerical simulation has allowed to establish a relationship between the Sherwood number as a function of Reynolds number, Schmidt and the hydraulic diameter of the microchannel. This relationship is used to estimate the mass transfer constant to represent correctly the photocatalytic degradation