Study of photocatalytic materials based on phosphates and bismuth oxychlorides xBi3O4Cl/(1-x)BiPO4 for the degradation of degradation of organic pollutants under visible irradiation
Étude de matériaux photocatalytiques à base de phosphates et d'oxychlorures de bismuth x Bi3O4Cl / (1-x) BiPO4 pour la dégradation de polluants organiques sous irradiation visible
Résumé
The main aim of this thesis was to develop materials based on bismuth phosphates and oxychlorides (BiPO4, Bi3O4Cl and Bi24O31Cl10) for photocatalytic applications in aqueous media. From these basic phases, particular attention was paid to the properties of two-phases or composite systems, likely to exhibit heterojunctions. The applications targeted were the photodegradation of organic pollutants, dyes such as rhodamine B, methylene blue, Methyl orange and Congo red on the one hand, and drugs such as amoxicillin and sulfadiazine on the other. The materials developed were subjected to thermal, structural, microstructural, optical, vibrational, electronic and photoluminescent characterizations.In the first stage, BiPO4 bismuth phosphates, obtained by co-precipitation in an acid medium, followed by thermal treatment at 400 to 550°C, were used to photodegrade the various organic pollutants selected: the two-phases system of monoclinic polymorphs nMBIP/mMBIP, obtained at 500°C, showed the best photocatalytic efficiency of the series under UV irradiation. This improved efficiency was attributed to the formation of heterojunctions between polymorph phases. In a second step, the synthesis of Bi3O4Cl and Bi24O31Cl10 oxychlorides and Bi3O4Cl/Bi24O31Cl10 two-phases system was undertaken, and their photocatalytic properties were compared. The Bi3O4Cl/Bi24O31Cl10 system performed best. This enhanced performance was attributed to the formation of Z-scheme heterojunctions between Bi3O4Cl and Bi24O31Cl10. These heterojunctions were visualized by the growth process of 2D Bi3O4Cl nanosheets on the 3D surface of Bi24O31Cl10 micro-grains. In a third step, composite systems [xBi3O4Cl + (1-x)BiPO4] with variable composition with 0 < x < 1 were elaborated by the solid-state reaction, and their photocatalytic efficiencies under visible irradiation were analyzed. The composite with composition x = 0.7 (0.7Bi3O4Cl/0.3BiPO4) revealed the highest photocatalytic efficiencies of the series. This performance was partly attributed to the formation of [Bi3O4Cl/BiPO4] heterojunction type P-N between the original Bi3O4Cl and BiPO4 materials. The mechanisms of photodegradation of organic pollutants, induced by the various photocatalysts, as well as the effect of acid/base environment on photocatalytic performance were discussed in this work.
L'objectif principal de la thèse était de développer des matériaux à base de phosphates et d'oxychlorures de bismuth (BiPO4, Bi3O4Cl et Bi24O31Cl10) pour applications photocatalytiques en milieu aqueux. A partir de ces phases de base, une attention particulière s’est portée sur les propriétés de systèmes biphasés ou composites, susceptibles de présenter des hétérojonctions. Les applications visées portaient sur la photodégradation de colorants comme la rhodamine B, le bleu de méthylène, l’hélianthine, le rouge Congo d’une part, et des médicaments comme l’amoxicilline et la sulfadiazine d’autre part. Les matériaux développés ont fait l'objet de caractérisations thermiques, structurales, microstructurales, optiques, vibrationnelles, électroniques et photoluminescentes.Dans une première étape, les phosphates de bismuth BiPO4, obtenus par coprécipitation en milieu acide, puis traitements thermiques de 400 à 550 °C ont été utilisés pour photodégrader les divers polluants organiques choisis : le système biphasé de polymorphes monocliniques nMBIP/mMBIP, obtenu à 500 °C, a montré, la meilleure efficacité photocatalytique de la série sous irradiation UV. Cette amélioration d’efficacité a été attribuée à la formation d’hétérojonctions entre phases polymorphes. Dans une seconde étape, la synthèse d’oxychlorures Bi3O4Cl et Bi24O31Cl10 ainsi que de système biphasé Bi3O4Cl/Bi24O31Cl10 a été entreprise, et leurs propriétés photocatalytiques ont été comparées. Le système biphasé Bi3O4Cl/Bi24O31Cl10 s'est avéré le plus performant sous irradiation visible. Cette meilleure performance a été attribuée à la formation d’hétérojonctions à schéma en Z entre Bi3O4Cl et Bi24O31Cl10. Ces hétérojonctions ont été visualisées par le processus de croissance de nanofeuillets 2D de Bi3O4Cl sur la surface 3D des micro-grains Bi24O31Cl10. Dans une troisième étape, les systèmes composites [xBi3O4Cl + (1-x)BiPO4] à composition variable avec 0 < x < 1 ont été élaborés par la voie solide-solide, et leurs efficacités photocatalytiques sous irradiation dans le visible ont été analysées. Le composite de composition x = 0,7 (0,7Bi3O4Cl/0,3BiPO4) a révélé les efficacités photocatalytiques les plus performantes de la série. Cette performance a été en partie attribuée à la formation d’hétérojonction P-N [P-Bi3O4Cl/N-BiPO4] entre les matériaux primitifs Bi3O4Cl et BiPO4. Les mécanismes de photodégradation des polluants organiques, induits par les divers photocatalyseurs, ainsi que l’effet d’environnement acide/base sur les performances photocatalytiques ont été discutés dans ce travail.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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