Les photocatalyseurs à base de TiO2 ont été l’objet d’une grande attention comme une méthode durable de purification de l’air ou de l’eau, et de production d’hydrogène par décomposition de l’eau. Une stratégie avantageuse consiste à développer des héterostructures par couplage avec un autre oxyde métallique former une jonction de type Schottky ou avec un autre oxyde métallique pour créer une jonction p-n à l’interface de manière à prévenir les recombinaisons via une séparation de charge « vectorielle » à ces jonctions. De plus, les facettes cristallines jouent un rôle crucial dans le piégeage des porteurs de charge et, donc,dans les réactions rédox photoactivées. Ainsi, le dépôt sélectif de métal ou d’oxyde métallique sur des facettes spécifiques de nanocristaux de TiO2 devrait augmenter l’activité photocatalytique par l’amélioration de la séparation des charges. Dans ce travail, nous avons combiné l’emploi du cocatalyseur de type p NiO pour former des jonctions p-n avec son dépôt sélectif sur des nanocristaux de TiO2 anatase exposant des facettes bien définies. Par ailleurs, des expériences modèles de physique de surface ont été menées pour étudier les propriétés électroniques de ces hétérojonctions. / TiO2 photocatalysts have attracted attention as a sustainable method for water/air purification and hydrogen production by water splitting. An advantageous strategy is the development of heterostructures by coupling metal oxides to create a p-n junction at their interface in order to prevent there combination by vectorial charge carrier separation at these energy junctions. In addition, crystal facets play a decisive role in the trapping of charge carriers and thus photocatalytic redox reactions. Thus, selective deposition of metal or metal oxides onto specific facets would enhance the photocatalytic activity by improving charge separation. In this work, we have combined the usage of p-type NiO co-catalyst to form p-n junction with its selective deposition onto the specific facet of oriented TiO2nanocrystal photocatalysts. Furthermore, the physical model experiments have been performed to investigate the electronic properties of these heterojunctions.

Plusieurs mécanismes de polymérisation radicalaire contrôlée (PRC) sous irradiation lumineuse ont récemment été développés. Ces approches offrent potentiellement de nombreux avantages, en permettant notamment d’introduire dans le mécanisme des PRCs certaines caractéristiques propres aux photopolymérisations, tels que les contrôles spatial et temporel de la réaction. Les travaux de thèse présentés dans ce manuscrit s’inscrivent dans ce contexte, en ayant pour objectif le développement et l’étude d’un nouveau mécanisme de polymérisation radicalaire par transfert d’atome (ATRP) photocatalysée. Après une étude bibliographique présentant l’état de l’art dans le domaine des PRCs sous irradiation lumineuse (chapitre 1), un complexe de bis(1,10-phenanthroline) cuivre (I) (Cu(I)) est utilisé comme catalyseur pour la synthèse de poly(méthacrylate de méthyle)s bien définis par ATRP menée sous l’irradiation d’une lampe LED bleue de faible intensité (chapitre 2). Le mécanisme proposé implique la formation de l’état excité Cu(I)* à partir de Cu(I) sous irradiation, suivie de sa désactivation oxydative par les composés bromés, générant les espèces actives propagatrices et la forme désactivante du complexe Cu(II). Le cycle catalytique est ensuite complété par l’ajout de triethylamine comme agent réducteur permettant la régénération in situ de la forme activante Cu(I) du complexe et conduisant ainsi à une polymérisation plus rapide. Le méthacrylate de glycidyle est ensuite considéré comme comonomère jouant simultanément le rôle d’un agent réducteur (chapitre 3). Des copolymères fonctionnels bien définis, avec une distribution contrôlée de groupes latéraux époxydes, sont ainsi synthétisés. Enfin, le mécanisme d’ATRP photocatalysé est amélioré en développant une procédure permettant la génération in situ de la forme activante Cu(I) en partant d’un complexe Cu(II) stable en présence d’air (chapitre 4). Le mécanisme ainsi développé présente une bonne tolérance à la présence d’oxygène ou d’inhibiteur dans le milieu réactionnel. Les effets de plusieurs paramètres (intensité lumineuse, concentration en ligand et nature du solvant ou du contre-ion) sont étudiés, suggérant un échange de ligand photo-induit comme processus photochimique additionnel impliqué dans le mécanisme d’ATRP photocatalysé étudié. / Several mechanisms of controlled radical polymerization (CRP) under light irradiation have been recently developed. These approaches offer potentially numerous advantages, enabling especially to introduce in the mechanism of CRPs some features characteristic of photopolymerizations, such as the spatial and temporal controls of the reaction. The PhD work presented in this manuscript comes in this framework, aiming at developing and studying a new mechanism of photocatalyzed atom transfer radical polymerization (ATRP). After a bibliographic study presenting the state-of-the-art in the domain of CRPs under light irradiation (chapter 1), a bis(1,10-phenanthroline) copper (I) complex (Cu(I)) is used as catalyst for the synthesis of well-defined poly(methyl methacrylate)s by ATRP carried out under the irradiation of a low intensity blue LED lamp (chapter 2). The proposed mechanism implies the formation of the excited state Cu(I)* from Cu(I) under irradiation, followed by its oxidative quenching by the brominated compounds, generating the growing active species and the deactivator form of the complex Cu(II). The catalytic cycle is then completed by the addition of triethylamine as a reducing agent enabling the in situ regeneration of the activator form of the complex Cu(I), therefore leading to a faster polymerization. Glycidyl methacrylate is then considered as a comonomer playing simultaneously the role of a reducing agent (chapter 3). Well-defined functional copolymers, with a controlled distribution of epoxide side groups, are thus synthesized. Finally, the photocatalyzed ATRP mechanism is improved by developing a procedure permitting the in situ generation of the activator Cu(I) starting directly from an air-stable Cu(II) complex (chapter 4). The mechanism developed in this way exhibits a good tolerance to the presence of oxygen or inhibitor in the reaction medium. The effects of several parameters (light intensity, ligand concentration and nature of the solvent or counter-ion) are studied, suggesting a photo-induced ligand-exchange as an additional photochemical process implied in the studied photocatalyzed ATRP mechanism.

Le présent travail porte sur la photodégradation de polluants aqueux utilisant des catalyseurs à base de ZnO. La première étape a consisté à fonctionnaliser ZnO avec des nanoparticules d'argent. Deux méthodes ont été utilisées : la photodéposition et l'imprégnation des particules d'argent sur ZnO. L’activité des catalyseurs obtenus vis-à-vis de la dégradation du bisphenol-A, du triclosan et de la rhodamine-B a été ensuite étudiée. L'effet du pH, des concentrations du photocatalyseur et du polluant et de la longueur d'onde sur la dégradation du bisphenol-A a été analysée et la constante cinétique déterminée. L'optimisation a montré qu'une teneur faible en argent et un pH alcalin, tant pour la fonctionnalisation de ZnO que pour la photodégradation, maximisent la constante cinétique de dégradation du bisphenol-A. Un modèle a également prédit que le système obtenu par photodéposition présente une activité photocatalytique supérieure à celle de celui obtenu par imprégnation. D'autre part, pour surmonter des problèmes d'agrégation, les particules d’Ag/ZnO ont été immobilisées grâce à leur incorporation dans une matrice d'acide polyacrylique réticulé. La surface des particules de catalyseur a, au préalable, été modifiée grâce à un agent de couplage silané qui a permis (i) la dispersion et l'ancrage par estérification des nanoparticules sur la matrice polyacrylique (ii) de promouvoir la cristallisation du polymère. Les composites obtenus ont été testés avec succès sous rayonnement UV avec une efficacité comparable à celle des particules non-immobilisées. L'immobilisation permet par ailleurs d'empêcher la photocorrosion du catalyseur et d'utiliser ces composites en mode continu / The present work concerns photodegradation of water contaminants using ZnO-based catalysts. The first step consisted in designing a new catalytic system by functionalizing ZnO with silver nanoparticles. Two methods were used: photodeposition and impregnation of silver nanoparticles (AgNPs) on ZnO. The photocatalytic activity of the resulting catalyst towards the degradation of bisphenol-A, triclosan and rhodamine-B was studied. The effect of pH, photocatalyst and contaminant concentrations and wavelength, on bisphenol-A degradation was studied and the kinetic rate constant was determined. The optimization showed that a low silver content and an alkaline pH, during both functionalization of ZnO and photodegradation, maximized the kinetic rate constant of bisphenol-A degradation. A model also predicted that Ag/ZnO obtained by photodeposition showed higher photocatalytic activity that of Ag/ZnO obtained by impregnation.On the other hand, to overcome aggregation problems, Ag/ZnO were immobilized owing to their incorporation in a cross-linked poly(acrylic acid) matrix . The surface of Ag/ZnO was previously modified, using a silane coupling agentwhich allowed (i) dispersing and anchoring NPs on the polyacrylic matrix by formation ester bonds (ii) promoting crystallization of the polymer. The composites were successfully tested under UV light with an efficiency comparable to that of non-immobilized NPs. The immobilization provides additional advantages e.g. hindrance of catalyst photocorrosion and possible use of the composite in continuous mode

La catalyse photoredox en lumière visible a réussi à s'imposer comme une méthode douce et éco-compatible de formation d'espèces radicalaires, et plus particulièrement de radicaux carbonés. Bien que cette catalyse ait su prouver son efficacité pour la formation de liaisons carbone-carbone/hétéroatome, les radicaux carbonés formés sont très souvent stabilisés. A l'inverse, les alkyles bis-catécholato silicates ont montré leur capacité à engendrer des radicaux alkyles non stabilisés par photooxydation à l'aide de complexes polypyridine de métaux de transition (Ru, Ir) photoactifs en lumière visible mais aussi de photocatalyseurs organiques. Les radicaux formés peuvent ainsi être piégés par différents accepteurs radicalaires. En outre, les alkyles bis-catécholato silicates sont engagés en présence d'électrophiles comme des halogénures éthyléniques ou (hétéro)aromatiques dans des conditions de catalyse duale photoredox/nickel afin de former des liaisons C(sp2) - C(sp3). La méthodologie a été étendue au couplage C(sp3) - C(sp3) avec toutefois quelques limitations. D'autre part, une étude comparant les silicates et les " ate-complexes " de bore pour la formation de radicaux par processus d'oxydation est présentée. Enfin, des travaux prometteurs sur l'oxydation des silicates par des complexes de cuivre portant des ligands non-innocents ont été amorcés. / Photoredox catalysis in visible light has succeeded in establishing itself as a gentle and eco-compatible method of formation of radical species, and more particularly of carbon radicals. Although this catalysis has proved to be efficient for the formation of carbon-carbon/heteroatom bonds, the generated carbon centered radicals are oftenverystabilized.Conversely, bis-catecholato silicates have shown to be capable of generating alkyl radicals that are not stabilized by photooxidation using polypyridine complexes of transition metals (Ru, Ir) that are photoactive in visible light but also organic photocatalysts. The radicals formed can thus be trapped by various radical acceptors. In addition, the bis-catecholato silicates can be employed in cross-coupling reactions with alkene halides and (hetero)aromatic halides under photoredox/nickel dual catalysis conditions for the formation of C(sp2) – C(sp3) bonds. The methodology can also be extended to C(sp3) – C (sp3) with some limitations. On the other hand, a study comparing the silicates and the "ate-complex" of boron for the formation of radicals by oxidation process is presented. Finally, promising works on the oxidation of silicates by copper complexes bearing non-innocent ligands have been initiated.

Une opportunité attrayante consisterait à utiliser l'énergie solaire, abondante et (quasi)inépuisable, pour valoriser le CO2 en carburants. Ceci permettrait de répondre à une double préoccupation : le dérèglement climatique imputable à l’augmentation de la concentration de gaz à effet de serre dans l’atmosphère d’une part, et d’autre part la raréfaction annoncée des ressources en énergie. Les végétaux sont capables de réduire le dioxyde de carbone en composés hydrogénocarbonés et d’oxyder simultanément l’eau en dioxygène par photosynthèse. Cette étude se propose d’élaborer des matériaux capables d’absorber la lumière et d’imiter le processus naturel, notamment son schéma énergétique en Z. La création de systèmes inorganiques comportant des hétérojonctions SCp (cathode) - Métal - SCn (anode) a été envisagée pour répondre à la problématique. Deux stratégies de synthèse ont alors été mises au point afin d’élaborer différents photocatalyseurs composite SCp@M/SCn notamment Cu2O@Pt/TiO2. L’évaluation des performances photocatalytiques a permis de révéler les bénéfices apportés par la présence d’hétérojunctions en termes de séparation des charges photogénérées et de sélectivité quant à la production de composés hydrogénocarbonés par photocatalyse. Ces travaux apportent une pierre importante à l’édifice d’un procédé de « photosynthèse artificielle » / An enticing opportunity would consist in using abundant and inexhaustible solar energy to valorise CO2 into fuels. That might answer in an elegant way to environmental and energetic concerns: the global warming due to atmospheric CO2 concentration increase and the dreaded shortage of energy resources. Green plants are able to reduce carbon dioxide into hydrocarbonated compounds and to oxidise simultaneously water into dioxygen by using photosynthesis. This study will focus on the design of materials able to absorb light and to imitate this natural process and more particularly its typical energetic Z-scheme. The chosen strategy is the creation of inorganic systems with SC-p (cathode) - Metal - SC-n (anode) heterojunctions. Two synthesis strategies were elaborated to obtain composite photocatalysts SCp@M/SCn, and more particularly Cu2O@Pt/TiO2. The evaluation of photocatalytic performances reveals heterojunctions benefits in term of charge separation and selectivity for photocatalytic hydrocarbonated compounds production. This study seems to do its bit towards “artificial photosynthesis” process