Thèse-2009-v4
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+33 (0)2 40 37 39 97 +7 39 95 Rocquefelte@cnrs-imn.fr Thèse à l’Institut des Matériaux Jean Rouxel Rationalisation des propriétés photocatalytiques de matériaux inorganiques au travers de calculs DFT Au cours de ces dernières années des technologies basées sur la photocatalyse ont été mises sur le marché. Elles permettent d’améliorer la qualité de vie (verre autonettoyant SGG BIOCLEAN®), de participer à la dépollution de l’air (revêtement PHOTOCAL®), ou encore de produire des énergies renouvelables comme l’hydrogène par photo-décomposition de l’eau. La photocatalyse consiste en la dégradation, activée par la lumière (solaire ou artificielle) de molécules organiques. Cette dégradation se fait habituellement suite à l’absorption des rayons UV par des particules inorganiques de dioxyde de titane (TiO ). Ce 2matériau photo-activé est alors le support de réactions d’oxydoréduction qui induisent la formation « d’oxygène actif » à partir de l’oxygène et de l’eau présents dans le milieu. Cet oxygène actif (radicaux libres d’oxydation) décompose les molécules organiques et les microorganismes environnants. De telles réactions peuvent alors être utilisées dans des contextes de dépollution de l’air (dégradation des gaz d’échappement NOx et des composés organiques volatils COV), de purification et potabilisation de l’eau, d’autonettoyage de façades vitrées extérieures, de production d’énergie renouvelable, … Le principal verrou technologique ...
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Rocquefelte@cnrs-imn.fr
Thèse à l’Institut des Matériaux Jean Rouxel
Rationalisation des propriétés photocatalytiques de matériaux
inorganiques au travers de calculs DFT
Au cours de ces dernières années des technologies basées sur la photocatalyse ont été
mises sur le marché. Elles permettent d’améliorer la qualité de vie (verre autonettoyant
SGG BIOCLEAN®), de participer à la dépollution de l’air (revêtement PHOTOCAL®),
ou encore de produire des énergies renouvelables comme l’hydrogène par photo-
décomposition de l’eau.
La photocatalyse consiste en la dégradation, activée par la lumière (solaire ou
artificielle) de molécules organiques. Cette dégradation se fait habituellement suite à
l’absorption des rayons UV par des particules inorganiques de dioxyde de titane (TiO
2
). Ce
matériau photo-activé est alors le support de réactions d’oxydoréduction qui induisent la
formation « d’oxygène actif » à partir de l’oxygène et de l’eau présents dans le milieu. Cet
oxygène actif (radicaux libres d’oxydation) décompose les molécules organiques et les
microorganismes environnants. De telles réactions peuvent alors être utilisées dans des
contextes de dépollution de l’air (dégradation des gaz d’échappement NOx et des
composés organiques volatils COV), de purification et potabilisation de l’eau,
d’autonettoyage de façades vitrées extérieures, de production d’énergie renouvelable, …
Le principal verrou technologique actuel réside dans la nature même du matériau actif
(TiO
2
) et de son fort gap électronique (
≈
3 eV). En effet, son activation se fait à très haute
énergie et seule une très faible fraction de la lumière solaire dans la région des UV peut
être exploitée (2 à 3 %). La recherche de matériaux actifs dans le visible (avec un gap
inférieur à 3 eV) est un sujet en plein essor qui intéresse les industriels. Quelle stratégie
faut-il adopter ? Diminuer le gap électronique de TiO
2
en substituant l’oxygène par un
élément moins électronégatif, comme l’azote, ou changer de matrice inorganique. De
nombreux articles scientifiques ont récemment été publiés, sans pour autant clarifier la
situation. Cela est principalement dû à la nature de la propriété photocatalytique qui réside
à la fois dans une excitation du coeur et une activité catalytique des états de surface du
matériau.
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Rocquefelte@cnrs-imn.fr
Le doctorant envisagera ce problème sous un axe de recherche original, consistant à
découpler, via une
modélisation DFT
(théorie de la fonctionnelle de la densité), les effets
intrinsèques (composition chimique, structure, gap électronique, …) et extrinsèques
(morphologie, porosité, états de surface…) au matériau.
Durant cette thèse, l’étudiant sera amené à modéliser les propriétés structurales,
électroniques et optiques de divers matériaux présentant ou non des propriétés
photocatalytiques, par la prise en compte :
- de l’efficacité d’absorption du rayonnement excitateur via la modélisation de la réponse
diélectrique du matériau (absorption/diffusion) ;
- de la nature et la masse effective des porteurs de charges (dispersion de bandes, …) ;
- du piégeage des porteurs de charges (effets de la surface du matériau) ;
- du potentiel redox du couple électron-trou ainsi généré ;
- des effets de la surface (courbure des bandes, espèces adsorbées, reconstruction de
surface …)
Cette étude sera menée sur des matériaux répertoriés dans la littérature et/ou synthétisés
au laboratoire. L’ensemble de ces travaux conduira à la proposition de règles simples
permettant d’optimiser les propriétés de tels matériaux sur la base de critères chimiques
(modification structurale, substitution chimique, morphologie, …).
Ce projet de thèse, qui fait suite à une collaboration contractuelle avec un groupe
industriel, a obtenu
un financement BDI-Région
(rémunération mensuelle de 1757 €
brute soit environ
1450 € nette
) ouvert à tout étudiant ayant validé son année de M2 en
2009.
Le candidat recherché est un scientifique enthousiaste et intéressé par la compréhension
des facteurs physiques et chimiques qui influent sur les
propriétés des matériaux
inorganiques
. Tout candidat intéressé par la présente offre est invité à envoyer un CV
détaillé et une lettre de motivation à X. Rocquefelte (email: xavier.rocquefelte@cnrs-
imn.fr, tél: 02.40.37.39.97) et S. Jobic (email: stephane.jobic@cnrs-imn.fr, tél:
02.40.37.39.22). Pour plus de renseignements sur l’activité du groupe, consultez le site
web suivant : http://www.cnrs-imn.fr/MIOPS/.
