Manuscrit de la thèse
Résumé :
Les nanodiamants (NDs) constituent une nouvelle classe de photocatalyseurs durables, sans métaux, et sont d’excellents candidats pour des applications environnementales. Si leur large bande interdite de 5,5 eV les limitent théoriquement à une activité photocatalytique sous lumière UV, des études récentes ont montré que les nanodiamants pouvaient également présenter une photoactivité sous lumière visible. Néanmoins, les mécanismes fondamentaux qui gouvernent les interactions entre la lumière et les nanodiamants restent encore mal compris.
Ce travail de thèse vise à la fois à améliorer la photoactivité des nanodiamants dans le domaine visible et à mieux comprendre les processus fondamentaux qui contrôlent leurs interactions lumière-matière. Des nanodiamants présentant initialement une très bonne cristallinité ont été modifiés selon trois paramètres clés afin de produire des nouveaux matériaux présentant
- une chimie de surface finement contrôlée,
- un diamètre ajustable, et
- une quantité variable de carbone sp2 à la surface
Des techniques de caractérisation avancées (XPS, FTIR, spectroscopie Raman, DRX, DLS, MEB, HR-TEM) ont été employées afin de déterminer avec précision les propriétés chimiques et structurales des matériaux. En particulier, l’utilisation du rayonnement synchrotron pour la spectroscopie de photoélectrons X (XPS) et la spectroscopie des structures fines d’absorption X proches du seuil (NEXAFS) sur des nanodiamants bruts et sur des suspensions colloïdales a fourni des informations précieuses sur la chimie de surface et la structure électronique des nanodiamants. En corrélant ces modifications contrôlées avec la photoactivité mesurée par conductivité microonde résolue en temps (TRMC), ce travail de thèse met en évidence les contributions respectives de la chimie de surface et de l’état d’hybridation sur la photoactivité des nanodiamants. Cette double approche, combinant une compréhension fondamentale de la structure électronique des nanodiamants avec des stratégies pratiques d’ingénierie de la bande interdite ouvre la voie au développement de nanodiamants efficaces comme photocatalyseurs actifs sous lumière visible.
Mots-clés :
Engineering the band gap of nanodiamonds for photoactivity in the visible spectrum
Manuscript of the thesis
Abstract:
Nanodiamonds (NDs) are a new class of sustainable, metal-free photocatalysts and are excellent candidates for environmental applications. Although their wide bandgap of 5.5 eV limits them theoretically to photocatalytic activity under UV light, recent studies have shown that nanodiamonds can also exhibit photoactivity under visible light. Nevertheless, the fundamental mechanisms governing the interactions between light and nanodiamonds remain poorly understood.
This thesis aims both to improve the photoactivity of nanodiamonds in the visible range and to better understand the fundamental processes that control their light-matter interactions. Nanodiamonds with initially very good crystallinity were modified according to three key parameters in order to produce new materials with
- finely controlled surface chemistry,
- adjustable diameter, and
- variable amounts of sp2 carbon on the surface.
Advanced characterization techniques (XPS, FTIR, Raman spectroscopy, XRD, DLS, SEM, HR-TEM) were used to accurately determine the chemical and structural properties of the materials. In particular, the use of synchrotron radiation for X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and near-edge X-ray absorption fine structure spectroscopy (NEXAFS) on raw nanodiamonds and colloidal suspensions provided valuable information on the surface chemistry and electronic structure of nanodiamonds. By correlating these controlled modifications with the photoactivity measured by time-resolved microwave conductivity (TRMC), this thesis highlights the respective contributions of surface chemistry and hybridization state to the photoactivity of nanodiamonds. This dual approach, combining a fundamental understanding of the electronic structure of nanodiamonds with practical engineering strategies, has enabled the development of novel nanodiamond-based materials with enhanced optical and electronic properties.
Keywords: