Photocatalyse
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Un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d’une réaction chimique thermodynamiquement possible par diminution de l’énergie d’activation. La photocatalyse résulte de la catalyse hétérogène, c’est-à-dire que la réaction se produit uniquement à la surface du catalyseur.
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[modifier] Principe
Toutefois, la photocatalyse se différencie par son mode d’activation. Le catalyseur est un semi-conducteur. Suite à l’absorption de photons d’énergie supérieure au gap, des paires électrons-trous sont créées dans le semi-conducteur, respectivement des photo-électrons dans la bande de conduction et des photo-trous dans la bande de valence, par le passage d'un électron de la bande de valence a la bande de conduction. La différence d'énergie correspond a celle fournit par le photon. Ces porteurs de charges ont une durée de vie limitée. Ils peuvent soit se recombiner suivant divers mécanismes soit diffuser en surface du semi-conducteur du fait du gradient de potentiel provoqué par la courbure des bandes.
L’énergie la plus basse de la bande de conduction définit le potentiel de réduction des photo-électrons et respectivement, l’énergie la plus haute de la bande de valence détermine la capacité oxydante des photo-trous. Simultanément, se produit le transfert de molécules vers la zone interfaciale, puis la diffusion de celles-ci et enfin leur chimisorption sur un site actif de la surface du catalyseur. Des réactions d’oxydoréductions sont alors possibles. La particule adsorbée est photo-réduite si elle présente un potentiel supérieur à ceux des photo-électrons. Dans le cas contraire, elle peut-être photo-oxydée si son potentiel est inférieur à celui des photo-trous.
Les mécanismes réactionnels ne sont pas encore bien compris pour l’instant. Il est possible que les molécules soient directement oxydées ou réduites ou bien interagissent avec des intermédiaires particulièrement réactifs en phase adsorbée ou dans le milieu. Ces intermédiaires ou radicaux sont le fruit de réactions entre photo-porteurs et molécules d’eau et/ou d’oxygène contenues dans le milieu. Les produits finaux de réaction sont principalement de l’eau et du dioxyde de carbone. L’efficacité photocatalytique est donc une synergie entre plusieurs paramètres : nombre et temps de vie des porteurs de charges mais aussi des vitesses d'adsorption/désorption et des réactions mises en jeu.
[modifier] Matériaux photocatalyseurs
Les matériaux catalyseurs employés sont des semi-conducteurs à large bande interdite ou gap, bien souvent des oxydes ou des sulfures (TiO2, ZnO, CeO2, ZrO2, SnO2, CdS, ZnS, …). De ce fait, l’énergie potentielle des porteurs de charges photogénérés dans la bande de conduction et de valence est en accord avec les potentiels électrochimiques de couples redox (O2, H2O, OH et composés organiques) et peuvent réagir thermodynamiquement via des réactions d'oxydo-réduction pour aboutir à leur complète dégradation. Le dioxyde de titane a montré les meilleures performances, notamment sous la forme cristallographique anatase.
[modifier] Applications
De ce fait, la minéralisation de nombreux composés organiques en phase fluide ou liquide est alors possible ce qui laisse entrevoir un grand champ d’applications. La photocatalyse peut être utilisée dans le domaine du traitement de l’eau, de l’air et de la désodorisation, mais aussi comme agent antibactérien. La photocatalyse peut trouver une autre application dans le domaine médical pour lutter contre les cellules infectées. Dans l’industrie, le principe de la photocatalyse est déjà employé pour l’utilisation de verre autonettoyant ; toutefois cette application est associée à une seconde propriété du semi-conducteur irradié : la superhydrophilie.
[modifier] Problématique
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 réponse spectrale du catalyseur qui pourrait alors devenir complètement autonome sans aucun apport d’énergie pour son fonctionnement. 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. Nous voyons ici comme quoi les améliorations peuvent encore apparaitre dans le domaine de la photocatalyse.
