Qu’est-ce qu’un photocatalyseur ?
La photocatalyse est une substance qui utilise l’énergie lumineuse pour favoriser les réactions chimiques.
La photocatalyse a été développée au Japon où, en 1967, Akira Fujishima, un étudiant diplômé de l’université de Tokyo, a découvert que lorsque la lumière était projetée sur une électrode de dioxyde de titane dans l’eau, des bulles se produisaient. Le dioxyde de titane (TiO2) à structure cristalline anatase est le photocatalyseur le plus utilisé, mais lorsqu’il a été développé pour la première fois, il ne fonctionnait qu’avec des rayons UV de courte longueur d’onde.
Grâce aux efforts des États et des entreprises, des photocatalyseurs très efficaces fonctionnant également à la lumière visible sont apparus les uns après les autres, en partie parce qu’il s’agit d’une technologie purement nationale dont le marché d’application est vaste.
Utilisations des photocatalyseurs
Les photocatalyseurs peuvent décomposer les polluants organiques à condition de disposer d’énergie lumineuse. En raison de leurs propriétés superhydrophiles, ils ont un large éventail d’applications et on utilise leurs propriétés dans de nombreux de domaines.
1. Antifouling et auto-nettoyage
Il existe de nombreuses applications pratiques en tant que revêtement pour les matériaux de construction tels que les carreaux et le verre. Dans les zones exposées à la lumière du soleil, il peut être utilisé sur les murs extérieurs des bâtiments, les vitres des fenêtres, les panneaux de signalisation, les enseignes, etc. pour démontrer un effet autonettoyant, ainsi que des effets désinfectants, antibactériens et antibuée.
2. Élimination des substances toxiques en suspension dans l’air
En intérieur, en combinaison avec des lampes ultraviolettes, ils sont utilisés dans les purificateurs d’air, les désodorisants et les filtres de climatiseurs. De plus, les photocatalyseurs sensibles à la lumière visible peuvent être utilisés sur les murs intérieurs et les portes des maisons pour assurer un contrôle antibactérien et des odeurs et aider à prévenir le syndrome des bâtiments malsains.
3. Autres utilisations
Les photocatalyseurs, y compris ceux en cours de recherche et de développement, sont également utilisés pour purifier l’eau potable, purifier les réservoirs d’eau, purifier l’atmosphère et les lacs, traiter les eaux usées, décontaminer les sols et pour la photosynthèse artificielle (décomposition de l’eau pour produire de l’hydrogène et de l’oxygène).
Principe des photocatalyseurs
Les photocatalyseurs exposés aux rayons ultraviolets ont un effet oxydant qui décompose les substances organiques et une propriété superhydrophile qui ne repousse pas du tout l’eau. En fait, les chercheurs n’ont pas une vision unifiée du mécanisme par lequel les photocatalyseurs remplissent ces fonctions, en particulier le mécanisme de génération de radicaux hydroxyles décrit ci-dessous. C’est pourquoi nous résumons ici les explications qui sont largement et généralement acceptées.
1. Génération d’espèces réactives de l’oxygène
Lorsque l’énergie lumineuse est appliquée à un photocatalyseur, l’intérieur du cristal entre dans un état de haute énergie et les électrons à la surface du cristal sont temporairement éloignés de la structure cristalline. Ces électrons sont chargés négativement et les trous (trous) d’où les électrons sont partis sont chargés positivement, les deux étant très instables et réactifs.
Ainsi, les électrons se combinent avec l’oxygène de l’air pour former O2- (ion superoxyde), tandis que les trous extraient les électrons de l’eau qui touche la surface du catalyseur pour former -OH (radical hydroxyle).
2. Action oxydante
O2- et -OH sont des espèces actives de l’oxygène et réagissent avec la matière organique et d’autres substances qui entrent en contact avec la surface du catalyseur pour les oxyder et les décomposer. À ce moment, le photocatalyseur favorise la réaction d’oxydation en transformant l’oxygène et l’eau en oxygène actif, mais il ne participe pas à la réaction et ne s’épuise pas. La photocatalyse a donc une efficacité semi-permanente.
3. Effet antisalissure dû à la superhydrophilie
On pense que la superhydrophilie est due au fait que l’oxygène actif décompose les fines matières organiques hydrophobes adsorbées à la surface du photocatalyseur et qu’en même temps, la surface du catalyseur est recouverte de groupes hydroxyles (-OH). De plus, un film d’eau pénètre entre le dioxyde de titane et la saleté, ce qui facilite l’élimination des taches importantes.
Types de photocatalyseurs
Les photocatalyseurs les plus courants aujourd’hui sont à base de dioxyde de titane ou de trioxyde de tungstène. Le dioxyde de titane a été utilisé dans de nombreux produits photocatalyseurs parce qu’il est physiquement et chimiquement stable et relativement peu coûteux, mais il présentait initialement des problèmes tels que le fait de ne pouvoir utiliser que l’énergie ultraviolette.
Des photocatalyseurs à base de trioxyde de tungstène ont été mis au point pour résoudre ce problème. Un certain nombre de produits sont actuellement sur le marché, avec des innovations uniques pour les deux types d’énergie.
1. Photocatalyseurs sensibles à la lumière visible
En termes de proportion d’énergie dans la lumière solaire, la lumière ultraviolette ne représente qu’environ 3 % et la lumière visible environ 50 %. Les photocatalyseurs sensibles à la lumière visible ont été mis au point pour utiliser l’énorme quantité d’énergie de la lumière visible.
Différents types de photocatalyseurs réagissant à la lumière visible sont aujourd’hui commercialisés, notamment ceux contenant des traces d’azote ou de métaux mélangés à la structure cristalline du dioxyde de titane ou du trioxyde de tungstène, et ceux dont la surface est recouverte de métaux ou d’oxydes métalliques.
2. Photocatalyseurs qui n’endommagent pas l’objet à protéger
Plus les performances photocatalytiques sont élevées, moins elles sont susceptibles d’être utilisées en contact direct avec des matériaux sensibles à la dégradation par oxydation, tels que les fibres organiques. Pour résoudre ce problème, des photocatalyseurs sont combinés à de l’apatite, de sorte que le dioxyde de titane n’entre pas en contact direct avec le matériau. Il existe une commercialisation de ces derniers combinés à des matériaux de liaison qui couvrent la surface du matériau de base organique pour empêcher tout contact direct avec le photocatalyseur.