Photocatalyse

Définition

La photocatalyse est généralement définie comme la catalyse d'une réaction photochimique sur une surface solide, généralement un semi-conducteur (photocatalyseur). La photocatalyse est une technique prometteuse pour la biodégradation et le contrôle de la pollution.

Schéma fonctionnel d'une photocatalyse :

La photocatalyse peut être utilisée dans la production d'hydrogène H₂ (par exemple, via la séparation de l'eau ou le photo-reformage de substrats organiques), la réduction du CO₂, l'atténuation de la pollution et l'assainissement de l'eau ou de l'air via l'oxydation (photodégradation) des polluants. Le dioxyde de titane (TiO2) est un photocatalyseur "de référence", grâce à de nombreuses caractéristiques favorables.

Explications

La dégradation photocatalytique des composés toxiques (colorants, pesticides, composés phénoliques, etc.) à l'aide des matériaux photoactifs dans un milieu aqueux dépend principalement de la bande interdite, de la surface, de la quantité de catalyseur et de la génération d'une paire électron-trou.

La photocatalyse en tant que technologie verte est essentielle pour nettoyer l'eau et la détoxification de l'environnement via la photocatalyse induite par la lumière visible et a diverses applications, telles que la réduction du CO₂, la dégradation des contaminants organiques, l'élimination des ions toxiques et des ions de métaux lourds, la séparation de l'eau, l'antibactérien, l'auto -nettoyage, etc.

Par conséquent, la conception et le développement de nouveaux photocatalyseurs à semi-conducteurs ont reçu beaucoup d'attention pour une utilisation à ces fins.

Pour les applications pratiques de la lumière visible de la photocatalyse, les semi-conducteurs doivent être modifiés soit en rétrécissant la bande interdite, soit en empêchant la recombinaison électron-trou en utilisant une stratégie telle que la conception de surface et d'interface des semi-conducteurs, la modulation de la configuration de la bande d'énergie des semi-conducteurs, la fabrication de solides -des photocatalyseurs en solution à bandes interdites continues, et utilisant des nanocomposites.

Réaction photocatalytique

La réaction photocatalytique implique des électrons de bande de conduction en tant qu'agents réducteurs de réactifs et des trous de cantonnière en tant qu'agents oxydants de réactifs (comme illustré schématiquement sur la figure au-dessus) pour un semi-conducteur générique.

L'efficacité d'une réaction redox spécifique dépendra des valeurs relatives de l'énergie de la bande de conduction (ou de valence) du semi-conducteur et du potentiel d'électrode de réduction (ou d'oxydation) de la demi-réaction spécifique.

Le processus photocatalytique de base (séparation de l'eau) est provoqué par l'illumination d'un photocatalyseur semi-conducteur. Le schéma montre la réduction de H⁺ par les électrons photogénérés dans la bande de conduction et l'oxydation des ions hydroxyle avec formation de radicaux hydroxyle par les trous photogénérés dans la bande de valence.

Pour que les deux processus interviennent, le potentiel électrostatique associé au bord de la bande de conduction (CBE) et au bord de la bande de valence (VBE) doit être inférieur et supérieur (respectivement) au potentiel d'électrode de H⁺ → H₂ et OH^- → O₂ (semi-réactions).

Les deux demi-potentiels de réaction sont séparés de 1,23 volts et donc un photocatalyseur viable pour la séparation de l'eau doit avoir une bande interdite d'énergie d'au moins 1,23 eV. Des écarts plus importants sont en effet nécessaires pour compenser diverses sources de pertes potentielles ("surpotentiel"). Des considérations similaires peuvent être faites pour d'autres réactions redox, en utilisant les potentiels d'électrode correspondants.

Histoire

Dans le passé, des efforts mondiaux ont été entrepris pour utiliser la lumière du soleil pour la production d'énergie, la protection de l'environnement et la purification de l'eau, dans lesquelles la photocatalyse joue un rôle crucial. Le terme "photocatalyse" est une nouvelle méthode potentielle capable d'éliminer des composés organiques relativement récalcitrants.

Cette méthodologie est basée sur la production de paires électron-trou par illumination avec une lumière d'énergie appropriée, d'un matériau semi-conducteur tel que des nanostructures de sulfure métallique dispersées dans un milieu aqueux. Le tournant qui a permis à la photochimie de devenir une science à part entière a été la reconnaissance de la différence avec celle de la thermochimie.

Au début du 20^ème siècle, de nombreux scientifiques estimaient que l'irradiation était l'un des nombreux moyens disponibles pour catalyser une réaction, ce qui la rend plus rapide, comme le chauffage ou le traitement avec certains produits chimiques dans une réaction chimique catalysée.

À ces réactions chimiques, l'étiquette "photochimique" était proprement attribuée, tandis que le terme "photocatalytique" désignait des réactions accélérées par la lumière, mais conservant le même cours que les réactions thermiques.

L'utilisation massive du terme photocatalyse et le développement d'une discipline spécifiquement désignée par ce nom ont commencé dans les années 1970, en référence à deux sujets différents. Premièrement, la crise pétrolière a donné une forte impulsion à la recherche de sources d'énergie alternatives, et on espérait que l'homme pourrait imiter la nature en exploitant l'énergie solaire pour la génération d'un carburant, en particulier, la génération d'hydrogène par séparation de l'eau par photocatalyse.

Le deuxième sujet concerne l'augmentation de la pollution par les produits chimiques utilisés et il a été proposé que la photocatalyse pourrait nettoyer l'eau et l'air en évitant l'ajout de produits chimiques supplémentaires. Les deux sujets sont issus de traditions différentes et sont restés séparés.

Photoréacteurs

Bien que la photocatalyse attire une large attention, la mise en oeuvre industrielle reste limitée en raison des problèmes de mise à l'échelle et des défis de conception de photoréacteurs satisfaisants, l'un des défis centraux de la recherche en photocatalyse est le développement de réacteurs permettant une efficacité photonique optimisée.

Les fibres optiques ont été utilisées comme guides de distribution de lumière et comme supports pour les photocatalyseurs.

En rapport avec "photocatalyse"

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