Photocatalyse

Un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d'une réaction chimique thermodynamiquement envisageable par diminution de l'énergie d'activation.



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Semi-conducteur - Micro-électronique - Électrochimie - Photochimie - Réaction chimique - Chimie générale - Catalyse - Cinétique chimique

Page(s) en rapport avec ce sujet :

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Un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d'une réaction chimique thermodynamiquement envisageable par diminution de l'énergie d'activation. La photocatalyse résulte de la catalyse hétérogène, c'est-à-dire que la réaction se produit seulement à la surface du catalyseur.

Principe

Cependant, 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 à la bande de conduction. La différence d'énergie correspond a celle apporte 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 génèré 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 envisageables. La particule adsorbée est photo-réduite si elle présente un potentiel supérieur à ceux des photo-électrons. Dans le cas opposé, 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 le moment. Il est envisageable que les molécules soient directement oxydées ou réduites ou bien interagissent avec des intermédiaires spécifiquement 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 essentiellement de l'eau et du dioxyde de carbone. L'efficacité photocatalytique est par conséquent une synergie entre plusieurs paramètres : nombre et temps de vie des porteurs de charges mais également des vitesses d'adsorption/désorption et des réactions mises en jeu.

Matériaux photocatalyseurs

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

Les matériaux catalyseurs employés sont des semi-conducteurs à large bande interdite ou gap, fréquemment des oxydes ou des sulfures (TiO2, ZnO, CeO2, ZrO2, SnO2, CdS, ZnS, …). Par conséquent, 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, surtout sous la forme cristallographique anatase.

Applications

Par conséquent, la minéralisation de nombreux composés organiques en phase fluide ou liquide est alors envisageable ce qui laisse entrevoir un grand champ d'applications. La photocatalyse est parfois utilisée dans le domaine du traitement de l'eau, de l'air et de la désodorisation[1], mais également comme agent antibactérien. La photocatalyse est déjà employée dans le traitement de l'air, son assainissement et sa désodorisation. 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 utilisé pour l'utilisation de verre autonettoyant ; cependant cette application est associée à une seconde propriété du semi-conducteur irradié : la superhydrophilie.

Problématique

Néanmoins, l'activation du catalyseur n'est envisageable 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 par conséquent 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 totalement 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 aussi trouvé des résultats confirmant l'effet du dopage. Nous voyons ici comme quoi les améliorations peuvent toujours apparaitre dans le domaine de la photocatalyse.

Notes et références de l'article

  1. comme c'est le cas pour les purificateurs d'air - à ce sujet voir l'article Purificateur d'air

Voir aussi

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La version présentée ici à été extraite depuis cette source le 30/11/2010.
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