Elaboration et caractérisation des matériaux semi-conducteurs en vue de leurs applications pour la dégradation des polluants dans les milieux aquatiques.

Abstract

La croissance industrielle actuelle nécessite le traitement simultané de la pollution organique et des métaux lourds dans les eaux usées. La photocatalyse hétérogène est une solution prometteuse pour relever ce défi, en traitant ces polluants tout en présentant des défis à surmonter. L'objectif est de développer des photo catalyseurs capables d'oxyder la pollution organique et de réduire le Cr(VI). Pour surmonter ces défis, la création d'hétérojonctions entre des semi-conducteurs comme le MgCr2O4, le WO3 et le ZnO dopé au cobalt (Co) est une approche prometteuse visant à améliorer l'efficacité de la photocatalyse pour traiter simultanément le Cr(VI) et la pollution organique dans les eaux usées.

Dans la première partie de la recherche, le MgCr2O4, synthétisé par voie sol-gel, se révèle actif dans le spectre visible. Sa structure, ses propriétés physiques et sa photo électrochimie sont caractérisées. La bande optique du MgCr2O4 correspond à 1,69 eV, adaptée au spectre solaire. En utilisant une méthode Mott Schottky, son potentiel de bande plate est mesuré à -0,15 VSCE, et sa surface spécifique BET est de 30 m2/g. En combinant le MgCr2O4, le WO3 et le Cr(VI) dans un système, la photo réduction du chromate hexavalent est réussie. Les électrons excités du MgCr2O4 par la lumière solaire sont injectés dans le WO3, aboutissant à une conversion totale de 30 mg/L de Cr(VI) en Cr(III) en 120 minutes dans des conditions optimales (pH ~ 4, 25 °C, [C7H6O3] = 10-5 mol/L, MgCr2O4/WO3 (1/1), dose de 1 mg/mL). L'utilisation de C7H6O3 comme agent réducteur prévient la photo-corrosion du système MgCr2O4/WO3 et améliore la photo activité. La cinétique de la réaction suit un modèle de premier ordre, avec une constante apparente de 0,02 min-1 (t1/2 = 35 min).

Dans la deuxième partie de l'étude, le dopage du ZnO avec du cobalt a été examiné pour la dégradation du colorant OII. Les résultats montrent que le dopage au cobalt améliore les propriétés optiques et électriques du matériau (pour un système dopé à 5 % de cobalt : surface spécifique Ss = 34,95 m2/g, largeur de bande interdite Eg = 3,26 eV, Ea = 62,25 eV et Vfb = -0,57 V). Cela conduit à une efficacité photocatalytique accrue, avec une dégradation presque complète d’OII en seulement 80 min sous irradiation solaire dans des conditions optimales (pH ~ 2, 25 °C, concentration initiale d'OII = 10 mg/L, concentration de Co0,05ZnO = 10 mg/L). De plus, les nanostructures Co0,05ZnO se révèlent stables et réutilisables, conservant plus de 81 % de leur efficacité initiale après cinq cycles successifs.

Les résultats sont prometteurs pour le traitement de l'eau polluée par le Cr(VI) et l'OII. Toutefois, des recherches futures sont nécessaires pour mieux comprendre les mécanismes réactionnels, optimiser les conditions et évaluer la mise à l'échelle de cette technologie. En somme, cette approche offre une voie intéressante pour le traitement simultané de polluants métalliques et organiques, ouvrant des perspectives importantes pour le traitement des eaux usées contenant divers contaminants via la photocatalyse.