slide1 l.
Download
Skip this Video
Loading SlideShow in 5 Seconds..
Les verres auto-nettoyants PowerPoint Presentation
Download Presentation
Les verres auto-nettoyants

Loading in 2 Seconds...

play fullscreen
1 / 30

Les verres auto-nettoyants - PowerPoint PPT Presentation


  • 209 Views
  • Uploaded on

Les verres auto-nettoyants . Une application des propriétés photocatalytiques de TiO 2 dans la vie de tous les jours. Laboratoire d’Application de la Chimie à l’Environnement. Direction : Jean-Marie Herrmann. Thème I : Catalyse Redox pour l’environnement.

loader
I am the owner, or an agent authorized to act on behalf of the owner, of the copyrighted work described.
capcha
Download Presentation

PowerPoint Slideshow about 'Les verres auto-nettoyants' - soyala


An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript
slide1

Les verres auto-nettoyants

Une application des propriétés photocatalytiques de TiO2 dans la vie de tous les jours

laboratoire d application de la chimie l environnement
Laboratoire d’Application de la Chimie à l’Environnement

Direction : Jean-Marie Herrmann

Thème I : Catalyse Redox pour l’environnement

Thème III : Matériaux fonctionnalisés

Thème II : Photocatalyse et Photochimie

Traitement de l’eau

Traitement de l’air

Matériaux auto-nettoyants

Au 1er Janvier 2007, le LACE fusionne avec l’IRC (Institut de Recherche sur la Catalyse) pour former IRCELYON, l’Institut de Recherche sur le Catalyse et l’Environnement de Lyon

plan de l expos
Plan de l’exposé
  • Photogénération de charges par TiO2 :
          • Pour la photocatalyse
          • Pour la superhydrophilie
  • Application aux verres auto-nettoyants
  • Quelques facteurs limitants
  • Conclusions
slide4

Teneur moyenne de l'écorce terrestre : 0,44 % en Ti.

- Ilménite (principal minerai de titane) oxyde de type : (TiO2,FeO,Fe2O3); 30 à 70 % de TiO2.

- Rutile (TiO2), teneur en TiO2 : de 93 à 96 %, minerai plus rare.

- Autres : leucoxène (ilménite altérée, > 90 % de TiO2), anatase (TiO2), perovskite (CaTiO3).

Marché mondial de TiO2 : 4,5 millions de tonnes / an.

Faible marge

Forte valeur ajoutée

Le dioxyde de titane (TiO2)

  • Intérêt Industriel :
  • 927 brevets « titanium dioxyde », (Base Delphion (Europe, USA, Japon))
  • Base INPI (2000-2002) : plus de 200 brevets…
slide5

Niveaux très serrés

Recouvrement des fonctions d’ondes dans le solide

Structure de bandes

Photogénération de charges

Ex. TiO2 semi-conducteur :

Ti4+ 3d0  bande de conduction

O2-  2p6  bande de valence

Eg=3.0 - 3.2 eV  absorption des photons UV

Constante diélectrique e>100

 séparation des charges de l’exciton (e-;h+)

slide6

Photogénération de charges

Illustration de la mobilité des charges photogénérées dans une particule sphérique (Dr. H. Gerisher (1993))

slide7

Photogénération de charges : Photocatalyse

hn:  400 nm

surface

TiO2

O2, accepteurs

-

Conduction band

REDUCTION

Ox1 + ne- Red1

e-

Formation d’espèces oxydantes en surface

Dégradation des molécules présentes à proximité de la surface

O2-, HO2, OH,R +

Eg  3,2 eV

(anatase)

e-

e-

OXIDATION

Red2 Ox2 + ne-

Valence band

+

H2O, donneurs

slide8

Composés dégradés par oxydation photocatalytique

Inorganiques

Organiques

H2S + 2 O2 SO42- + 2 H+

SH- + 2 O2+ SO42- + H+

S2- + 2 O2 SO42-

SO32- + 1/2 O2 SO42-

S2O32- + 2 O2 + H2O2 SO42- + 2 H+

NO2- + 1/2 O2 NO3-

NH4+ + 1/2 O2 + H2O NO3- + 2 H2O + 2 H+

H3PO3 + 1/2 O2H3PO4

CN- + 1/2 O2OCN- [ OCN- + 2 H2OCO32- + NH4+]

  • Tous les composés organiques (alcanes, alcools, aldéhydes, cétones, aromatiques,…)
  • Composés organiques + O2 …..  CO2 + H2O
  • à l’exception de :
  • - CH4
  • acide cyanurique C3H3N3O3
  • les composés fluoro-carbonés : C-F
slide9

r

r

A

B

mopt

EG

EG

m

λ

r

log r

C

D

Ea = Et 0

r = k[KC/(1+KC)]

Ea = Et - aQA

Ea = Et + aQP

C

1/t (°C)

0

80°C

20°C

r

E

R

F

1/2

R

 F

F

Paramètres physiques influençant la photocatalyse

(A): masse de catalyseur; (B): longueur d’onde; (C): concentration initiale en réactif; (D): température; (E): flux photonique.

slide10

Photocatalyse au contact de TiO2 :

  • Dépollution de l’eau (insecticides, herbicides, colorants…)
  • Purification de l’air (Composés Organiques Volatiles …)
  • Verres et matériaux autonettoyants…
  • Propriétés photoélectrochimiques de TiO2 :
  • Systèmes électrochromes et photochromes (affichage d'information, vitrages et filtres à teinte modifiable ou auto-adaptatifs, stockage d'information).
  • Photovoltaïque, Photobatterie,
  • Photoélectrolyse de l’eau.

Domaines d’application

slide11

Echange sur couche à liant TiO2 (10 Pa 18O2)

Photogénération de charges: labilité de l’oxygène de surface

Mise en évidence par échange isotopique d’oxygène photocatalytique

- échange hétéromoléculaire avec participation d’un atome de surface (R1) (principal mécanisme pour TiO2)

slide12

Effet Photoélectrique : Superhydrophilicité

Photohydroxylation de la surface de TiO2

Principal processus associé à la propriété photoinduite de superhydrophilicité de TiO2.

*Andrew Mills, Soo-Keun Lee, Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry 152 (2002) 233–247.

slide14

Effet Photoélectrique : superhydrophilicité

Variation de l’hydrophilie en fonction du temps d’irradiation UV

15 min

0 min

45 min

30 min

A. Mills et al./ Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry 160 (2003) 213-224

la lumi re la surface de la terre
La lumière à la surface de la terre

4% du rayonnement solaire : 1 à 4 mW/cm2

Rayonnement solaire naturel suffisant pour une efficacité photocatalytique significative

composition des salissures la surface des verres
Composition des salissures à la surface des verres

Sels inorganiques + noir de carbone dans une matrice organique

Action possible de la photocatalyse sur la matrice organique et de l’hydrophilicité sur les sels inorganiques

slide17

1.Photocatalytic

degradation

Conduction band

UV (hυ)

O2

-

Reduction

e-

O2-, HO2

e-

Eg3,2eV (anatase)

OH + H+

Pollutants degradation at the glass surface

e-

Oxidation

Self-Cleaning Glass

+

H2O

Valence band

H2O + CO2

2.Superhydrophilicity: Formation of a rainwater thin film which washes away the organic dirt.

TiO2

La propriété auto-nettoyante des verres

=

photocatalyse + superhydrophilicité

slide18

‘Home of the future’ with TiO2 commercially available now’.

Illustration of the possible impact of Photocatalytic and Photohydrophobic properties on the ‘home of the future’*.

*Andrew Mills, Soo-Keun Lee, Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry 152 (2002) 233–247.

les contraintes d laboration
Les contraintes d’élaboration
  • Synthétiser une phase active : couche d’anatase avec une épaisseur suffisante
          • éviter la rutilisation ou l’amorphisation
          • éviter la formation de titanates alcalins
  • Obtenir une couche possédant une bonne tenue mécanique (utilisation d’un liant)
  • Éviter de perturber les propriétés optiques du matériau fini
proc d s de fabrication de couches de tio 2 sur verres
Procédés de fabrication de couches de TiO2 sur verres

Les précurseurs classiques de Ti :

- TiOSO4

- TiOCl2, TiCl4

- alkoxydes de Ti

- Ti

- TiO2

  • Méthodes de dépôt classiques
  • dip-coating,spin-coating, spray coating de sol/gel ou de suspensions colloïdales
  • - CVD, PVD (procédé industriel)…..

Couche d’anatase de 10 à 1000 nm avec ou sans liant

exemples de d p t
Exemples de dépôt

ActivTM

A. Mills et al./ Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry 160 (2003) 213-224

V. Roméas et al. / New J. Chem., 23 (1999) 365-373

mise en vidence de l effet photocatalytique
Mise en évidence de l’effet photocatalytique

Disparition d’une couche d’acide palmitique : acide gras CH3(CH2)14COOH

(traces de doigt)

V. Roméas et al. / New J. Chem., 23 (1999) 365-373

slide23

Disparition d’une couche d’acide palmitique : acide gras CH3(CH2)14COOH

Analyse quantitative par extraction puis analyse HPLC

Analyse du CO2 formé

V. Roméas et al. / New J. Chem., 23 (1999) 365-373

slide24

Disparition d’une couche d’acide stéarique : acide gras CH3(CH2)16COOH

Evolution des bandes CH2 suivie par spectroscopie FTIR

A. Mills et al./ Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry 160 (2003) 213-224

influence de la masse de tio 2

(mm)

Influence de la masse de TiO2

Vitesse de dégradation photocatalytique de l’acide malique en fonction de l’épaisseur de la couche de TiO2

Efficacité photocatalytique d’autant plus importante que l’épaisseur de TiO2 est grande mais limitation pour une application réelle par la tenue mécanique et par les propriétés optiques

influence de la diffusion d ions alcalins et alcalino terreux
Influence de la diffusion d’ions alcalins et alcalino-terreux

Na

Réduction de l’efficacité photocatalytique :

- réduction de la cristallinité

- formation de titanates

effet du support et ou du liant
Effet du support et/ou du liant

Film de nanoparticules de TiO2 fixées à l’aide d’un liant (1-x)TiO2/xSiO2

Si-O-Ti

x croissant

effet du support et ou du liant28
Effet du support et/ou du liant

Formation de Si-O-Ti :

- réduction de la capacité d’adsorption de O2

- réduction de l’éfficacité photocatalytique

 l’utilisation d’un liant inorganique SiO2 permet une meilleure tenue mécanique mais limite l’efficacité photocatalytique

les verres auto nettoyants commerciaux
Les verres auto-nettoyants commerciaux
  • BiocleanTM (St Gobain)
  • ActivTM (Pilkington Glass)
  • SunCleanTM (PPG)
  • Radiance TiTM (AFG)

Europe

USA

Etape de standardisation : choix des tests :

- dégradation du bleu de méthylène

- dégradation de l’acide stéarique (Projet Européen Self-Cleaning Glass – thèse de Laure Péruchon (LACE))

- dégradation des NOx

conclusions
Conclusions
  • Les verres auto-nettoyants sont une application concrète des propriétés photocatalytiques de TiO2
  • Intérêt environnemental : réduction de l’utilisation de détergent
  • Verrous technologiques levés pour aboutir à l’élaboration d’un produit commercialisable

Le futur :

- améliorer les propriétés des couches

- mieux comprendre le phénomène de superhydrophilicité

- utiliser un autre matériau que TiO2 pour utiliser la lumière visible