Photocatalyse

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La photocatalyse repose sur le principe d'activation d'un semi-conducteur à l'aide de l'énergie apportée par la lumière. Le semi-conducteur est considéré comme étant un catalyseur. Son principe est proche de la catalyse hétérogène où la réaction d’oxydoréduction se passe à la surface du catalyseur.

Principe[modifier | modifier le code]

Schéma présentant le principe de la photocatalyse.
Schéma présentant le principe de la photocatalyse.

C'est l'adsorption d'un photon, dont l'énergie est supérieure au gap entre la bande de valence et la bande de conduction, qui va former une paire électron-trou dans le semi-conducteur. On a donc l'émission d'un électron au niveau de la bande de conduction et la formation d'un trou sur la bande de valence. Cette paire électron-trou va permettre la formation de radicaux libres [1] qui vont soit réagir avec des composés présents dans le milieu ou alors se recombiner suivant divers mécanismes. Chaque semi-conducteur possède une différence d'énergie entre sa bande de conduction et sa bande de valence qui lui est propre.

Différents mécanismes réactionnels sont proposés mais il a été montré que la présence d'eau était nécessaire pour effectuer la réaction photocatalytique. En général, le but de cette réaction est d'oxyder des composés pour obtenir du dioxyde de carbone et de l'eau. On peut aussi avoir des intermédiaires d'oxydations des produits de départ si la réaction n'est pas complète. Pour favoriser une réaction complète, des expériences sont menées pour ralentir la recombinaison entre la paire électron-trou.

L’oxydation photocatalytique dépend donc d'une synergie entre plusieurs paramètres : temps de vie des porteurs de charges mais aussi de la vitesse d'adsorption/désorption des composés à la surface du semi-conducteur.

Les différents photocatalyseurs[modifier | modifier le code]

Position des bandes de valence et de conduction pour de nombreux semi-conducteurs, à pH = 0 sans illumination.

Les photocatalyseurs les plus couramment employés sont des semi-conducteurs ayant une large bande interdite ou gap. Bien souvent ce sont des oxydes ou des sulfures (TiO2, ZnO, CeO2, ZrO2, SnO2, CdS, ZnS, …). Les potentiels électrochimiques des semi-conducteurs et des couples redox O2/H2O et H2/H2O montre qu'une interaction entre ceux-ci est possible. En effet, les espèces radicalaires sont formées à partir d'O2 (oxydation) et d'H2O (réduction).

Pour ses performances et son coût, le dioxyde de titane est souvent privilégié en tant que photocatalyseur. Il existe sous 3 formes cristallines : brookite, anatase et rutile mais seuls les structures anatase et rutile ont des propriétés photocatalytiques. La structure anatase est plus efficace que la structure rutile. Mais il a été montré qu'un mélange anatase/rutile (environ 80/20) présente de meilleurs résultats que l'une ou l'autre des structures seules. Pour améliorer ses performances, des expériences montrent qu'en présence de platine, le temps de recombinaison de la paire électron-trou est ralenti.

Applications[modifier | modifier le code]

Comme dit précédemment, la photocatalyse est souvent employée pour minéraliser totalement de nombreux composés organiques en phase liquide ou gazeuse, ce qui laisse entrevoir un large champ d’applications. Elle peut être utilisée dans le traitement de l’eau, de l’air, pour la désodorisation[2] et aussi comme agent antibactérien. En septembre 2011 en Belgique, une équipe de chercheurs a recouvert une portion du tunnel de l'autoroute A51 avec un mélange ciment/TiO2 pour étudier son effet sur la dépollution de l'air du tunnel[3]. La photocatalyse est déjà employée dans le traitement de l'air, son assainissement, sa désodorisation et peut trouver une autre application dans le domaine médical pour lutter contre les cellules infectées. Dans l’industrie, elle est déjà employée pour l’utilisation de verre autonettoyant mais cette application est associée à une seconde propriété : la superhydrophilie. Certains industriels du traitement de l'air utilisent la photocatalyse pour décontaminer l'air, notamment en éliminant certains CMR comme le formaldéhyde et le benzène, tous deux cancérigènes avérés. La technologie n'étant pas sélective, elle élimine quasiment tous les COV. Des appareils de décontamination chimiques sont exploités depuis quelques années dans des écoles, des crèches.

Problématique[modifier | modifier le code]

Néanmoins, l’activation du catalyseur n’est possible que pour des photons de fortes énergies, supérieures au gap du semi-conducteur c’est-à-dire pour une longueur d'onde correspondant à l’ultra-violet pour le dioxyde de titane. Le photocatalyseur ne présente donc pas une grande activité sous irradiation solaire (pour l'oxyde de titane le rayonnement solaire utile n'est que de 4 %). C’est pourquoi de nombreuses recherches sont effectuées pour élargir la longueur spectrale de réponse du catalyseur. Les principaux efforts de recherche sont axés sur le dopage du semi-conducteur par des métaux de transition, la sensibilisation de la surface ou encore des empilements de semi-conducteurs.

D'après un article de Ryoji Asahi et al (2001), le dopage du TiO2 par de l'azote rend le catalyseur actif pour les irradiations dans le domaine visible. S-K Jung et al (2006), ont également trouvé des résultats confirmant l'effet du dopage. Des améliorations apparaissent encore dans le domaine de la photocatalyse.

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. http://www.techniques-ingenieur.fr/actualite/environnement-securite-energie-thematique_191/la-photocatalyse-dépollution-de-l-eau-ou-de-l-air-et-materiaux-autonettoyants-article_66885/
  2. comme c'est le cas pour les purificateurs d'air - à ce sujet voir l'article Purificateur d'air
  3. http://info.francetelevisions.fr/video-info/index-fr.php?id-video=dynamo_telematin_20110920071622_200920111317_F2

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]