Enchimie, laphotocatalyse est l'accélération d'unephotoréaction en présence decatalyseur.
Le principe de la photocatalyse repose sur l’activation d’unsemi-conducteur par la lumière[1]. Le semi-conducteur est considéré comme un catalyseur. Son principe est proche de lacatalyse hétérogène où laréaction d'oxydoréduction se passe à la surface du catalyseur.
C'est l'absorption d'unphoton, dont l'énergie est supérieure à la largeur de labande interdite entre labande de valence et labande de conduction, qui permet de former une paireélectron-trou dans le semi-conducteur. Il y a émission d'un électron au niveau de la bande de conduction et formation d'un trou sur la bande de valence. Cette paire électron-trou permet la formation deradicaux libres[1] qui vont soit réagir avec des composés présents dans le milieu, soit se recombiner suivant divers mécanismes. Chaque semi-conducteur possède une différence d'énergie entre sa bande de conduction et sa bande de valence qui lui est propre.
Différentsmécanismes réactionnels sont proposés mais il a été montré que la présence d'eau était nécessaire pour effectuer la réaction photocatalytique. En général, le but de cette réaction est d'oxyder des composés pour obtenir dudioxyde de carbone et de l'eau. On peut aussi avoir des intermédiaires d'oxydations des produits de départ si la réaction n'est pas complète. Pour favoriser une réaction complète, des expériences sont menées pour ralentir la recombinaison entre la paire électron-trou.
L’oxydation photocatalytique dépend d'une synergie entre plusieurs paramètres : temps de vie des porteurs de charges, vitesse d'adsorption/désorption des composés à la surface du semi-conducteur.
Les photocatalyseurs les plus couramment employés sont dessemi-conducteurs ayant une largebande interdite ougap. Souvent, ce sont desoxydes ou dessulfures (TiO2, ZnO, CeO2, ZrO2, SnO2, CdS, ZnS, etc.). Lespotentiels électrochimiques des semi-conducteurs et descouples redox O2/H2O et H2/H2O montre qu'une interaction entre ceux-ci est possible. En effet, les espèces radicalaires sont formées à partir d'O2 (oxydation) et d'H2O (réduction).
Pour ses performances et son coût, ledioxyde de titane (TiO2) est souvent privilégié en tant que photocatalyseur. Il existe sous trois formes cristallines :brookite,anatase etrutile, mais seules les structures anatase et moindrement rutile ont des propriétés photocatalytiques. Il a été montré qu'un mélange anatase/rutile (enproportion 80/20) présente de meilleurs résultats que l'une ou l'autre des structures seules. Pour améliorer ses performances, des expériences montrent qu'en présence deplatine, le temps de recombinaison de la paire électron-trou est ralenti.
Comme écrit précédemment, la dégradation photocatalytique est déjà employée pourminéraliser totalement de nombreuxcomposés organiques (en phase liquide ou gazeuse), mais ce sont surtout lesultraviolets qui sont actifs. Cette technique laisse entrevoir un large champ d’applications.
L'activation du catalyseur n’est possible que pour des photons de fortes énergies, supérieures augap du semi-conducteur, c’est-à-dire pour unelongueur d'onde correspondant à l’ultraviolet pour le dioxyde de titane. Le photocatalyseur ne présente donc pas une grande activité sousirradiation solaire (pour l'oxyde de titane, lerayonnement solaire utile n'est que de 4 %). Des recherches visent donc à élargir la longueur spectrale de réponse du catalyseur, par exemple par dopage du semi-conducteur par desmétaux de transition, la sensibilisation de la surface ou encore par empilements de semi-conducteurs.
Selon Ryoji Asahiet al. (2001), le dopage du TiO2 par de l'azote rendrait le catalyseur actif pour les irradiations dans le domaine visible. S.-K. Junget al. (2006), ont également trouvé des résultats confirmant l'effet du dopage. Des améliorations apparaissent encore dans le domaine de la photocatalyse.
Une autre condition est que le matériau (pigment de peinture, plâtre, verre, ciment, etc.) reste propre.
On cherche à produire des matériaux « autonettoyants » ou faciles à nettoyer.
| Selon l’énergie d’initiation | |
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| Selon la solubilité du catalyseur dans lemilieu réactionnel | |
| Selon lemécanisme réactionnel mis en jeu | |
| Selon la composition du catalyseur | |
| Selon la symétrie duproduit souhaité | |
