Le dioxyde de titane, connu pour ses applications dans les domaines de la photoactivité et du photovoltaïque, est aussi un candidat d'électrode négative pour batteries lithium-ion. Les variétés anatase et TiO2(B) sont les plus prometteuses. Leurs capacités sont respectivement de 0,50 et 0,75 Li+ par motif de TiO2. Sous forme nanométrique, elles présentent des densités d'énergie et de puissance accrues. L'objet de ce travail de thèse concerne la synthèse par chimie douce de dioxydes de titane nanométriques selon la méthode développée initialement par Kasuga et al. et leur caractérisation. La méthode en trois étapes génère successivement deux intermédiaires tels que (i) le titanate (NaOH)xTiO2(H2O)y (x = 0,3-0,5 et y = 0,4-0,7) par reflux, et (ii) l'acide titanique TiO2(H2O)z (z = 0,7-0,8) après échange ionique, et finalement, après recuit, (iii) le TiO2 de morphologie proche de celle du titanate précurseur. Quatre titanates de sodium ont été identifiés, trois structures lamellaires, se différenciant par leur morphologie (nanotubes, semi-nanotubes et nanorubans) et une structure amorphe s'apparentant à des nanosphères. Après échange ionique et recuit, les nanotubes et les nanosphères se transforment en anatase, les semi-nanotubes en un mélange d'anatase et de TiO2(B), et les nanorubans en TiO2(B) exclusivement. La quantification par spectroscopie Raman du ratio anatase/TiO2(B) a été développée en calibrant les intensités avec les résultats d'électrochimie. Enfin, les nanorubans de TiO2(B) ont été testés au sein de demi-batterie lithium métal. Les performances sont prometteuses avec une capacité réversible de 200 mAh.g-1 à C/3 (soit 0,6 Li+ par TiO2) et de 100 mAh.g-1 à 15C.

Η φωτοκαταλυτική αναμόρφωση υδατικών διαλυμάτων γλυκερόλης διερευνήθηκε με τη βοήθεια καταλυτών CuOx/TiO2, οι οποίοι παρασκευάστηκαν με την μέθοδο εναπόθεσης-ισορροπίας-διήθησης (EDF), η οποία οδηγεί στο σχηματισμό καταλυτών υψηλής διασποράς χαλκού (II), τα είδη του οποίου αλληλεπιδρούν ισχυρά με την επιφάνεια του TiO2. Βρέθηκε ότι η γλυκερόλη φωτο-αναμορφώνεται αποτελεσματικά σε αυτά τα υλικά αποδίδοντας H2 και CO2 στην αέρια φάση. Η έκλυση υδρογόνου παρουσιάζει μια υστέρηση με το υδρογόνο να εμφανίζεται μόνο μετά από παρατεταμένη έκθεση του αιωρήματος στο φως, ενώ ο ρυθμός παραγωγής CO2 (και σε μικρότερο βαθμό Η2) ταλαντώνεται σε συνάρτηση με το χρόνο ακτινοβόλησης. Τα αποτελέσματα αυτά εξηγούνται αν λάβει κανείς υπόψη την φωτοεπαγόμενη αναστρέψιμη τροποποίηση της οξειδωτικής κατάστασης του χαλκού που λαμβάνει χώρα υπό τις παρούσες συνθήκες αντίδρασης. Επιπλέον, αναπτύχθηκαν φωτοκαταλύτες με υψηλή απόκριση στην ορατή ακτινοβολία πυρώνοντας σκόνη TiO2 (sol-gel) υπό ροή ΝΗ3. Το φάσμα απορρόφησης των λαμβανόμενων υλικών συντονίστηκε με έλεγχο της θερμοκρασίας. Οι φωτοκαταλύτες χρησιμοποιήθηκαν σε μορφή σκόνης για την παραγωγή υδρογόνου μέσω της φωτοκαταλυτικής αναμόρφωσης της γλυκερόλης. Επιπλέον η απόδοση των ενισχυμένων με άζωτο καταλυτών εξετάστηκε και σε φωτοηλεκτροχημικές διεργασίες καθώς χρησιμοποιήθηκαν ως φωτοάνοδοι σε φωτοεπαγόμενες κυψέλες καυσίμου. / The photocatalytic reforming of aqueous solutions of glycerol has been investigated over CuOx/TiO2 catalysts prepared by the equilibrium deposition filtration (EDF) method, which results in the formation of highly dispersed copper (II) species interacting strongly with the TiO2 surface. Glycerol is photo‐reformed efficiently over these materials yielding H2 and CO2 in the gas phase. Hydrogen evolution exhibits a hysteresis and appears only after prolonged exposure to light, whereas the rate of CO2 (and to a lesser extent H2) evolution fluctuates with irradiation time. Results are explained by considering the light‐induced reversible modification of the oxidation state of deposited copper species that takes place under the present reaction conditions. Visible‐light responsive photocatalysts have been synthesized by nitrogen doping of sol‐gel made nanocrystalline titania followed by heating at various temperatures in a NH3 atmosphere. The absorption spectrum of the obtained materials was tuned by controlling temperature. Photocatalysts were employed in powder form to produce hydrogen by photocatalytic reforming. They were also deposited by means of pastes as thin films on transparent electrodes and employed as photoanode in photoactivated fuel cells.

Pollution created by textile dyeing operations attracts significant attention because an effluent containing a complex mixture of coloured and potentially toxic compounds can be released with the discharged water. Developing dyes and dyeing conditions to reduce the amount of residual dye contained in any effluent has been one of many approaches to minimise this environmental impact. However, the presence of coloured discharge cannot be totally eliminated using only this strategy. Thus, development of efficient post-dyeing wastewater treatment methods capable of removing coloured products from the water is of paramount importance. TiO2-mediated photocatalytic degradation of organic dye molecules via oxidation is the focus of the study reported in this thesis. TiO₂ significantly increases the rate of photodegradation of a wide range of organic dyes under mild operating conditions, and is able to mineralise a wide spectrum of organic contaminants. TiO₂ is also one of the very few substances appropriate for the industrial applications. One of primary aims of this thesis is to test the hypothesis that augmenting standard TiO₂ photocatalysts with Au nanoparticles could increase performance of a catalyst, while immobilizing TiO₂ on SiO₂ support may improve the cost of the process efficiency, i.e. more photocatalytic degradation per particle of TiO₂. Combining TiO₂ doped with gold nanoparticles on SiO₂ support has the potential to provide the highest photocatalytic ability at the lowest cost. The first half of the thesis is concerned with establishing and optimizing experimental conditions for monitoring photodegradation via UV-Visible spectroscopy. Effects of various conditions such as temperature, sequence of addition of reagents, exposure to light vs. experiments in dark, sampling methods, and the use of quenching agent were examined. The main conclusions from this study are that light-induced photodegradation using titanium dioxide nanoparticles catalysts is comparatively more efficient than purely chemical catalytic (e.g. non-light mediated) degradation, even if the latter is performed at elevated temperature. Further, the rate of dye degradation is affected considerably by the parameters of the system. The degradation rate depends strongly on the pH of the solution, due to charges on both the catalyst surface and in the dye. In general, at pH ≤ 6.8, which is the zero charge point for TiO₂, reactions proceeded faster than those at higher pH. Six dyes from four different classes of dyes used in industry were used in this study, and all showed different photodegradation behaviour. The second half of thesis tests the photocatalytic abilities of various TiO₂-based catalysts: pure TiO₂ (commercial and custom-made in our laboratory), TiO₂-supported gold nanoparticles (Au/TiO₂), SiO₂-supported TiO₂ (TiO₂/SiO₂), and SiO₂-supported Au/TiO₂. The best photocatalytic performance was observed for the custom-made TiO₂ code-named as e-TiO₂, which was synthesized using the sol-gel method in dry ethanol. TiO₂-supported Au55 nanoparticles showed a similar level of catalytic ability but are significantly more expensive. It was observed that dye adsorption played a significant role in the case of SiO₂-immobilized photocatalysts.

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

La chimie organométallique de surface (COMS) est une technique utilisée pour concevoir des catalyseurs structurellement bien définis. Elle a été employée ici pour établir les fondements de la COMS sur des supports photoactifs. L’oxyde de titane, TiO2 à savoir l’anatase a été utilisé comme support photo-catalytique en raison de sa haute stabilité, photo-activité and non toxicité. La nature chimique et la densité des sites réactifs de surface ont été établies. Un complexe de Ta bien connu de la littérature a été utilisé pour mener les premières études d’interaction entre la surface et le complexe organométallique. Les résultats ont permis d’observer le greffage organométallique couplé à des mécanismes transfert de charge métal sur métal, en route vers des photo-catalyseurs bien définis / Surface organometallic chemistry (SOMC) is used to design well-defined catalysts. It has been employed here to lay the foundation of SOMC on photocatalytic support, a previously little if any explored area. TiO2 anatase was used as the photocatalytic support due to its high stability, photoactivity and nontoxicity. The chemical nature and the surface density of the reactive moieties found on anatase support has been determined. A Ta complex, well-known in literature, was used to conduct the first principal studies regarding the interaction between the surface and the organometallic complex. The results provide solid insights into organometallic grafting and metal to metal charge transfer mechanisms for developing well-defined photocatalysts by SOMC

Cette thèse, à visée exploratoire, a pour objet de développer l'utilisation de polysaccharides dans la synthèse de matériaux. Les applications dans le domaine de l'énergie sont privilégiées et ont guidé les choix effectués.Deux axes d'études sont explorés :1) la minéralisation de la cellulose par des chlorures métalliques, conduisant à l'obtention d'oxydes métalliques. Nous avons démontré la versatilité du procédé en développant la synthèse de divers oxydes métalliques (TiO2, Nb2O5, V2O5, Fe2O5, WO3) ou l’utilisation de différentes sources de cellulose (papier filtre, cellulose micro-fibrillée et cellulose bactérienne). Ces synthèses et des expériences complémentaires nous ont permis d’affiner notre compréhension du mécanisme de synthèse.2) la synthèse de composites polysaccharides-ionosilices, qui devait conduire à l’obtention de polyélectrolytes solides. Les essais effectués ont été infructueux, et sont brièvement décrits. / This exploratory thesis is oriented to the exploration of the use of polysaccharides for materials synthesis. Energy applications are preferred, and have lead our choices.Two main axis are studied :1) The mineralization of cellulose by metal chlorides, leading to metal oxides. We have demonstrated the versatility of the process by developing the synthesis of some metal oxides ( TiO2, Nb2O5, V2O5, Fe2O5, WO3) or the use of different cellulose sources (filter paper, micro-fibrillated cellulose and bacterial cellulose). These synthesis and complementaries experiments allowed us to improve our comprehension of the synthesis mechanism.2) The synthesis of polysaccharides-ionosilicas composites, which was expected to lead to solid polyelectrolytes. The experiments were unsuccessful, and are briefly described.

Le but de cette thèse était de fabriquer des structures cœur / coquille à base de nanofils d’oxyde de zinc (ZnO) pour des applications en photovoltaïques principalement, et ensuite pour des détecteurs UV. Des réseaux de nanofils de ZnO de dimensions contrôlées ont été synthétisés en utilisant la méthode d’électrodéposition de ZnO (ECD). Nous avons également synthétisé des oursins organisés à base de nanofils de ZnO (U-ZnO NWs) en combinant les méthodes de nanostructuration de surface (auto-assemblage de sphères de polystyrène), dépôt de couche atomique (ALD) et ECD de ZnO. Plusieurs approches concernant le contrôle des dimensions de ces nanofils ont été envisagées. Les diamètres, la densité et la morphologie de ces nanofils ont été ajustés soit en modifiant les diamètres des sphères utilisés soit en modulant les paramètres expérimentaux durant la déposition (ALD et/ou ECD). Des monocouches et des multicouches de U-ZnO NWs de longueur variant de 750 nm jusqu'à 1500 nm ont été obtenus dans une large gamme de diamètre (57-170 nm).Ces matériaux ont été utilisés pour la construction de cellules solaires à colorant (DSSC) à base de réseaux de nanofils et des U-ZnO NWs, recouverts de couches minces d’oxyde de titane (TiO2) par dépôt de couches atomiques (ALD). Des rendements de conversion solaire de ~ 2% ont été atteints, sachant que le ZnO absorbe seulement dans l’UV. Ces matériaux ont été également utilisés pour la construction de cellules solaires de type II formés des U-ZnO NWs recouverts de couches d’oxyde de cuivre (Cu2O) de différentes épaisseurs par ECD. Les effets de la morphologie et des dimensions des nanofils et des U-ZnO NWs sur la diffusion de la lumière et la performance électronique des dispositifs ont été étudiés. Des capteurs d’ultraviolet ont été testés en utilisant les nanofils et les U-ZnO NWs. Une amélioration significative de la performance et de la stabilité en matière de détection UV a été observée en utilisant ces nanostructures de ZnO. Cela est dû à l'augmentation de la surface active offerte par les nanofils et les U-ZnO NWs en comparaison avec la performance obtenue avec les couches minces de ZnO. Finalement, une bioélectrode à base de nanofibres de polyacrylonitrile (PAN) recouverts par une couche d’or a été préparée pour la réduction électrochimique du CO2 en biocarburants utiles. L'électrode de PAN / Or a été préparée en utilisant une méthode de synthèse basée sur l'électrofilage suivi d'une pulvérisation d'Or. Une amélioration significative de l'activité électrochimique et de la stabilité de la bioélectrode a été observée. / The aim of this thesis was to fabricate core / shell structures based on zinc oxide (ZnO) nanowires for photovoltaic applications mainly, and UV sensors as well. ZnO nanowire arrays of controlled size were grown using electrodeposition method (ECD). We also synthesized organized urchins based on ZnO nanowires by combining methods of surface nanostructuring (self-assembly of polystyrene spheres), atomic layer deposition (ALD) and electrodeposition of ZnO (ECD). Several approaches concerning the control of dimensions on these nanowires have been investigated. The diameter, density and morphology of these nanowires were adjusted either by modifying the diameters of spheres or by modulating the experimental parameters during deposition (ALD and / or ECD). Organized monolayers and multilayers of urchins based on ZnO nanowires ranging between 750 -1500 nm in length were obtained in a diameter range between 50-170 nm. The construction of dye solar cells (DSSC) was based on nanowire arrays and organized urchins based on ZnO nanowires coated with thin shells of titanium oxide (TiO2) obtained by atomic layer deposition (ALD). As proof of concept, solar conversion efficiencies of ~ 2% were achieved, bearing in mind that ZnO absorbs only in UV range. These materials have also been used for solar cells construction of type II based on organized urchin-like ZnO nanowires coated with copper oxide (Cu2O) layers of different thicknesses by electrodeposition of Cu2O. The effects of the morphology and the dimension of the organized nanowires and urchin-like ZnO nanowires on light scattering and electronic performance of the devices have been studied. UV sensors were tested using nanowires and urchin-like ZnO nanowires. A significant improvement in the performance and stability in UV detection was observed when using these ZnO nanostructures. This is due to the increase in active area offered by the ZnO nanowires and urchins compared to the performance obtained with ZnO thin films. Finally, a bioelectrode based on polyacrylonitrile nanofibers (PAN) coated with a layer of gold has been prepared for the electrochemical reduction of CO2 into useful biofuels. The PAN/gold electrode was prepared using a homemade synthesis method, based on electrospinning followed by gold sputtering. A significant improvement in the electrochemical activity and the stability of the bioelectrode was observed.

Au sein de la Thématique Nanoform, Axe Nanosciences, ICB, nous réalisons la croissance de nanostructures hybrides 1D, 2D et 3D à base de TiO2 par MOCVD. Nos travaux portent sur l’aspect théorique de la formation de ces nanostructures (modèles de croissance et cinétique, structure et texture) et l’étude des propriétés photoélectriques, optiques, physicochimiques ainsi que sur le développement d’applications de ces structures dans le domaine de la physique (random laser), de la photocatalyse, de l’énergie (cellules solaires). Sous certaines conditions parfaitement maitrisées, nous obtenons des structures à base de TiO2, étonnamment originales jamais décrites dans la littérature : feuilles, tiges, canaux, creusets, nanostructures originales COHN (COaxiales Heterostructures Nanowires) Nos travaux précédents ont permis d’identifier l’origine probable de ces structures : utilisation de catalyseurs ferromagnétiques en présence d’un chauffage à induction. L’étude de ce mécanisme est totalement nouvelle. / Within the Nanoform Theme, Ax Nanosciences, ICB, we realize the growth of 1D, 2D and 3D hybrid nanostructures based on TiO2 by MOCVD. Our work deals with the theoretical aspect of the formation of these nanostructures (growth and kinetic models, structure and texture) and the study of photoelectric, optical and physicochemical properties as well as the development of applications of these structures in physics (random laser), photocatalysis, energy (solar cells). Under certain perfectly controlled conditions, we obtain original TiO2 structures not yet described in the literature: membranes, rods , canals, crucibles, COHN (COaxiales Heterostructures Nanowires). Our previous work made it possible to identify the probable origin of these structures: use of ferromagnetic catalysts in the presence of induction heating. The study of this mechanism is totally new.

The aim of this master thesis was to investigate a photochemical degradation of three representatives of parabens (methylparaben, ethylparaben and propylparaben) in aqueous solutions. Two experimental arragements were adopted in the study: a heterogeneous photocatalytic process on an immobilized TiO2 and a reaction in a homogeneous mixture; in the latter arrangement, the effect of Fe(III) concentrations was examined.

A indústria têxtil tem como característica a geração de grandes volumes de resíduos, principalmente corantes oriundos do tingimento de fios e tecidos. Os tratamentos convencionais de efluentes têxteis são ineficazes na degradação da maioria dos corantes. A fotocatálise heterogênea vem surgindo como alternativa promissora no tratamento desses poluentes. Neste trabalho, estudou-se a degradação fotocatalítica de duas soluções, simuladas em laboratório, compostas pelos corantes ácidos Blue 74, Red 51 e Yellow 3 (efluente I) e pelos reativos Black 5, Red 239 e Yellow 17 (efluente II), além de outros produtos químicos. Testes preliminares foram realizados para otimizar o pH e a massa de catalisador (TiO2) utilizados. Além da fotocatálise, experimentos de fotólise e adsorção também foram realizados. Através de espectrofotometria UV-VIS, verificou-se um descoramento por fotocatálise de 96% em 240 min e 97% em 30 min dos efluentes I e II, respectivamente. A mineralização do efluente I foi baixa (37%) e a do efluente II desprezível, nos tempos utilizados. No banho com corantes ácidos, foram realizadas ainda análises de toxicidade com sementes de alface (Lactuca sativa). A CE50 inicial estimada foi igual a 19,28 %, sendo a toxicidade totalmente removida após 63 min de processo fotocatalítico. A fotólise não obteve a mesma eficiência da fotocatálise, mostrando a importância do catalisador na degradação. A adsorção não foi significativa para os efluentes estudados. As cinéticas de degradação fotocatalítica de todos os corantes seguiram um modelo de pseudo-primeira ordem / The textile industry has the characteristic of generating huge amounts of residues, mainly the ones from yarns and fabrics dyeing operations. Conventional treatments of textile wastewaters are inefficient for degrading the majority of the dyes. Heterogeneous photocatalysis has been arising as a promising alternative for treating this kind of pollutants. In this work, the photocatalytic degradation of two simulated aqueous solutions: effluent I, composed of three acid dyes (Blue 74, Red 51, and Yellow 3), and effluent II, composed of three reactive dyes (Black 5, Red 239, and Yellow 17) was studied. Some dyeing auxiliary chemicals were also added to both effluents. Besides photocatalysis, photolysis and adsorption experiments were also performed. Preliminary tests were performed in order to optimize pH and catalyst (TiO2) dosage. Color removals by the photocatalytic process were estimated from UV-Vis spectroscopy: 96% after 240 min for effluent I and 97% after 30 min for effluent II. The mineralization degree of effluent I was low (37%) and that of effluent II negligible. For the bath containing acid dyes, toxicity experiments using lettuce seeds (Lactuca sativa) were performed. The estimated initial EC50 was 19.28 %, being toxicity completely removed after 63 min of the photocatalytic process. Photolysis did not present the same efficiency of photocatalysis, showing the importance of the catalyst in the degradation process. For both effluents, the adsorption process was not significant. The photocatalytic degradation of all studied dyes followed a pseudo-first order kinetic model