Au début des années 1970, Fujishima et Honda ont rapporté la première réaction induite par la lumière sur une électrode de TiO2 sur le dégagement d'oxygène et d'hydrogène dans une solution aqueuse. Depuis, l'application des réactions photocatalytiques s'est étendue dans différents domaines, en particulier dans l'assainissement de l'environnement en phase aqueuse et gazeuse. Les réactions photocatalytiques peuvent être utilisées pour la dégradation de polluants organiques (par exemple, COV, aromatiques, colorants) et inorganiques (par exemple, NO3-, Cr6+), pour la décomposition de l'eau en hydrogène et oxygène, la réduction du dioxyde de carbone, la désactivation des micro-organismes, ces exemples étant parmi les plus représentatifs.Les photocatalyseurs les plus courants sont des matériaux semi-conducteurs tels que TiO2, ZnO, Bi2WO6, WO3, Fe2O3, SnO2, CdS, ZnS, etc. Le TiO2 est un semi-conducteur de type n avec une bande interdite optique de 3,2 eV, aujourd'hui considéré comme le matériau de référence pour les applications photocatalytiques dans l'assainissement de l'environnement. D'autre part, Bi2WO6 est également un semi-conducteur de type n qui présente de bonnes caractéristiques d'absorption de la lumière visible, avec une bande interdite de 2,9 eV, une activité photocatalytique élevée et une bonne stabilité.Malgré le fait que les processus photocatalytiques présentent de nombreuses applications, leur mise en œuvre à grande échelle est limitée en raison de la faible absorption généralement de la plupart des semi-conducteurs sous lumière visible, des taux de recombinaison des porteurs de charge élevés et des phénomènes de photocorrosion qui affectent leur stabilité sous un éclairage à long terme.Afin d'augmenter la photoefficacité des semi-conducteurs, plusieurs approches ont été proposées; parmi elles, l'incorporation de matériaux carbonés comme additifs aux semi-conducteurs s'est révélée être une alternative intéressante. Une grande variété de matériaux carbonés a été utilisée à cet effet pour plusieurs réactions photocatalytiques, avec d'excellentes performances photocatalytiques des composites semi-conducteur/carbone. Cela a été attribué à plusieurs aspects : une meilleure absorption de la lumière visible du composite quand l’additif de carbone est incorporé, l'effet bénéfique du nanoconfinement des polluants ciblés dans la porosité des matériaux en carbone, les forts effets électroniques interfaciaux entre le carbone et le semi-conducteur, une séparation électron-trou efficace en raison de la faible longueur de diffusion à travers la porosité du carbone, ou la capacité de l'additif de carbone à agir comme accepteur des porteurs de charge photogénérés, réduisant ainsi le taux de recombinaison.Plus récemment, l'activité photochimique intrinsèque des matériaux carbonés a été démontrée, en raison de leur capacité à former des espèces réactives (par exemple, des radicaux hydroxyles, des superoxydes, des radicaux centrés sur le carbone) lorsqu'ils sont exposés à une illumination dans des environnements contrôlés. Lorsque les carbones sont illuminés, il est proposé que l'excitation électronique se produise dans les transitions π-π* et σ–π* impliquant des sites en zig-zag libres et des sites de type carbène. Une telle activité photocatalytique est influencée par la structure des pores (c'est-à-dire les effets de nanoconfinement), la chimie de surface et la composition du matériau carboné (c'est-à-dire la présence de groupes chromophores).Dans ce contexte, l'objectif principal de cette thèse était d'explorer l'application de matériaux carbonés d'origines et de caractéristiques différentes comme additifs aux semi-conducteurs pour la dégradation photocatalytique des polluants environnementaux. Une série de carbones issus de diverses sources (charbon bitumineux, polysaccharides, lignocellulosiques, nanotubes de carbone) ont été sélectionnés comme additifs en raison de leurs différentes caractéristiques. Le dioxyde de titane disponible dans le commerce et le tungstate de bismuth synthétisé en laboratoire ont été utilisés comme semi-conducteurs. Les photocatalyseurs semi-conducteur/carbone ont été préparés en incorporant une faible charge de l'additif de carbone (2% en poids) suivant deux approches: (i) mélange physique des deux composants, (ii) synthèse hydrothermale en un seul pot du semi-conducteur en présence de l'additif de carbone. Selon la nature des matériaux carbonés et la méthode de préparation, le mélange présentait des caractéristiques physico-chimiques, une réponse photoélectrochimique et une activité photocatalytique différentes.Tout d'abord, les spectres de réflectance diffuse des photocatalyseurs préparés ont été mesurés, pour étudier leurs caractéristiques optiques. Les données ont montré la présence de groupes fonctionnels optiquement actifs (c'est-à-dire impliquant des hétéroatomes O-, N-, S-) dans certains des matériaux carbonés, ce qui permet une augmentation de la capacité d'absorption de la lumière des composites dans le domaine visible. Les composites préparés par synthèse hydrothermale étaient de couleur claire et présentait une réflectance légèrement plus élevée que les composites obtenus par mélange physique des deux composants. Cette tendance était plus prononcée pour les composites impliquant des additifs de carbone hautement fonctionnalisés. La valeur énergétique de la bande interdite des mélanges déterminée par la méthode d'ajustement linéaire double est légèrement plus élevée quelle que soit la nature du carbone et la méthode de préparation que pour le semi-conducteur nu. Les valeurs de bande interdite peuvent être corrélées à la réflectance de l'échantillon: des valeurs de réflectance plus faibles représentent des bandes interdites plus élevées, et vice versa.Concernant la porosité des composites semi-conducteur/carbone, et quelles que soient les différentes caractéristiques poreuses des additifs de carbone utilisés, tous présentent des isothermes d'adsorption d'azote de type II(b), caractéristiques de matériaux à faible porosité. Ceci est associé à la faible teneur en additif carboné, comme mentionné ci-dessus. Néanmoins, la présence de l'additif de carbone a augmenté les paramètres de texture du composite semi-conducteur/carbone résultant; cet effet était plus remarquable dans le cas de ces matériaux de carbone avec une structure de pores bien développée. Concernant la dispersion des additifs de carbone dans les composites obtenus par mélange physique des deux composants, les particules des additifs se sont révélées être bien dispersées au sein des nanoparticules dominantes du semi-conducteur (typiquement de plus petites tailles), indiquant un bon contact entre le carbone et le semi-conducteur. Lorsque les composites ont été préparés par un procédé hydrothermal (par exemple, pour les composites Bi2WO6/carbone), les nanoparticules de semi-conducteur Bi2WO6 étaient plus grosses, en raison de la présence des additifs de carbone pendant la synthèse. Quoi qu'il en soit, une bonne dispersion de l'additif carboné a également été observée, suggérant un bon contact entre les deux phases. Les méthodes de préparation ont montré un effet sur la structure cristalline, avec des tailles de cristaux plus faibles des composites Bi2WO6/carbone synthétisés par méthode hydrothermale que le Bi2WO6 nu, soulignant une légère distorsion du réseau du semi-conducteur en raison de la présence de carbone lors de la synthèse. D'autre part, la nature acide/basique du carbone a également influencé la nature des composites semi-conducteur/carbone résultants. Tous les composites préparés par méthode hydrothermale présentent un caractère plus acide quelle que soit la nature du carbone, que les composés correspondants préparés par mélange physique.La réponse photoélectrochimique des matériaux semi-conducteurs/carbone a été évaluée en solution aqueuse. À cet effet, des électrodes ont été préparées sur un support conducteur (par exemple, un substrat en verre revêtu d'oxyde d'indium et d'étain) et analysées par voltamétrie cyclique, potentiel de circuit ouvert et chronoampérométrie. Les voltammogrammes des composites semi-conducteur/carbone mesurés dans le noir ont montré la forme typique du semi-conducteur, avec des densités de courant variables en fonction du type d'additif au carbone. Les densités de courant plus élevées dans toute la fenêtre électrochimique des voltammogrammes sont associées à la contribution de la double couche électrique formée dans la porosité des additifs carbonés. De plus, la méthode de préparation des composites a montré un effet sur les voltammogrammes. Les composites préparés par l’approche hydrothermale affichent des courants cathodiques plus élevés que leurs homologues obtenus par prélèvement physique mixte. Sous illumination, la photogénération de paires électron-trou dans la région de charge d'espace des composites a été confirmée par les photocourants anodiques enregistrés. L'amplitude des courants enregistrés dans le noir et du photocourant variait pour les différents matériaux. En général, les composites TiO2/carbone présentaient des valeurs de photocourant plus élevées que les composites Bi2WO6/carbone.Le potentiel de circuit ouvert des électrodes constituées de semiconducteurs uniquement a montré des résultats chargés positivement, indiquant le transfert d'électrons du semi-conducteur à la solution d'électrolyte lors de l'immersion dans l'électrolyte. Pour la plupart des électrodes à semi-conducteur/carbone, le potentiel de circuit ouvert s'est déplacé vers des valeurs négatives par rapport au semi-conducteur, indiquant le transfert d'électrons du carbone vers le semi-conducteur. Ceci était en accord avec le résultat observé dans le voltammogramme cyclique. Lorsque les électrodes ont été éclairées, le potentiel a chuté à des valeurs plus négatives en raison de l'augmentation de la population d'électrons dans la bande de conduction du semi-conducteur due à l'injection des électrons photogénérés. La goutte photopotentielle était reproductible sur plusieurs cycles marche/arrêt consécutifs. L'ampleur et la vitesse de la goutte photopotentielle dépendaient de la nature du carbone et de la méthode de préparation des composites. Toutes les électrodes TiO2/carbone présentaient une amplitude de chute photopotentielle plus élevée que le TiO2 nu, tandis que toutes les électrodes de Bi2WO6/carbone présentaient une amplitude de chute photopotentielle plus faible que le Bi2WO6 nu. En termes de séparation de charge, les semi-conducteurs seuls ont montré des valeurs de constante de vitesse plus rapides que les composites, quels que soient le type de semi-conducteur, la nature des additifs de carbone et le procédé de préparation des composites.Les transitoires de photocourant des électrodes à semi-conducteur/carbone enregistrés lors de l'éclairage marche/arrêt présentaient la forme typique des semi-conducteurs de type n, avec une augmentation du photocourant lors de l'activation de l'éclairage qui se rétractait à sa valeur d'origine lorsque la lumière était éteinte. Les amplitudes de photocourant des électrodes semi-conductrices/carbone impliquant des carbones faiblement fonctionnalisés présentaient des valeurs plus élevées que celles mesurées pour le semi-conducteur seul; en revanche, le carbone hautement fonctionnalisé a montré des valeurs inférieures ou égales à celles du semi-conducteur nu. La conductivité électrique et la mobilité électronique de la matrice de carbone se sont avérées être une force motrice pour augmenter l’amplitude du photocourant. Ceci était plus remarquable dans les composites TiO2/carbone que dans les composites Bi2WO6/carbone. Toutes les électrodes TiO2/carbone ont montré un photocourant anodique quel que soit le potentiel appliqué. D'autre part, la plupart des électrodes Bi2WO6/carbone présente un photocourant anodique pour des potentiels appliqués positifs et des photocourants cathodiques pour des potentiels appliqués négatifs. Cela suggère que les différents types de réactions photoélectrocatalytiques se sont produits à l'interface électrode/électrolyte en conditions d'éclairage, ce qui s'est avéré dépendant du potentiel appliqué pour le même matériau, en particulier pour Bi2WO6/carbone. Le photocourant anodique correspond à l'oxydation de l'eau, puisque l'eau est le seul donneur d'électrons au trou de l'électrolyte aqueux, tandis que le photocourant cathodique est attribué à la photoréduction de l'oxygène dissous dans l'électrolyte.Enfin, l'activité photocatalytique des matériaux a été évaluée pour la dégradation de la rhodamine B choisi comme polluant modèle. Le colorant a été imprégné sur les films photocatalytiques coulés sur un substrat en verre à partir de solutions aqueuses, et laissé sécher dans l'obscurité. Avant l'illumination des films photocatalytiques, leur capacité d'adsorption a été évaluée. Les données ont montré qu'une faible quantité (environ <5 μg) du colorant était adsorbée dans tous les composites étudiés. Cette faible capacité d'adsorption des catalyseurs est en accord avec la structure poreuse mesurée. Ensuite, le test photocatalytique a été réalisé en éclairant les films à l'aide d'une lumière solaire simulée. La décomposition photolytique du colorant en l'absence d'un photocatalyseur a montré une conversion non négligeable (environ 80%) après 60 minutes d''illumination. En présence d'un photocatalyseur, l'élimination complète du colorant a été observée après 10 minutes d'illumination; une légère différence de performance a été observée parmi les photocatalyseurs à des temps d'illumination courts. Tous les composites TiO2/carbone ont montré des performances légèrement meilleures que le semi-conducteur nu. D'autre part, les composites Bi2WO6/carbone préparés à partir de mélanges physiques ont montré des performances légèrement inférieures à celles du Bi2WO6. En revanche, les composites Bi2WO6/carbone synthétisés par un procédé hydrothermal ont montré une activité photocatalytique plus élevée que leur composite correspondant préparé par mélange physique. Des expériences réalisées en présence d'agents chimiques désactivateurs ont confirmé la formation de radicaux hydroxyles et de trous lors de l'irradiation des composites, vraisemblablement impliqués dans la dégradation photocatalytique du colorant. En raison de la nature acide de la plupart des catalyseurs, une forte interaction avec la forme cationique de la rhodamine B est attendue; en conséquence, la dégradation photocatalytique s'est réalisée par la voie de N-déséthylation, ce qui conduisait à un grand nombre d'intermédiaires. La différence de performance photocatalytique des composites était plus prononcée pour la formation et la dégradation de ces intermédiaires. Dans la plupart des cas, le semi-conducteur/carbone a montré une dégradation photocatalytique améliorée des intermédiaires par rapport au semi-conducteur nu. Cette amélioration était plus prononcée pour les catalyseurs comprenant des additifs de carbone acides ou/et microporeux.Les matériaux composites ont également montré une bonne performance photocatalytique pendant les cycles consécutifs (jusqu'à cinq cycles) avec une conversion rapide et presque complète du colorant dans tous les cycles. Ceci a confirmé l'absence de perte d'activité significative des catalyseurs après des cycles consécutifs, soulignant que les phénomènes de photocorrosion sont négligeables. La stabilité des photocatalyseurs a également été confirmée par l'absence de changements dans les photocatalyseurs après des cycles consécutifs et une irradiation à long terme (en termes de texture et de nature hydrophobe/hydrophile).L'activité photocatalytique des matériaux a également été évaluée pour la photoréduction du dioxyde de carbone (CO2) en milieu gazeux. Le CO2 gazeux a été introduit dans le photoréacteur contenant le film catalytique, suivi d'un éclairage à l'aide d'un simulateur solaire. La photoréduction de CO2 a été analysée par GC/MS et capteur numérique, montrant la production de gaz CO même si la quantité de CO est restée trop faible par rapport à la concentration initiale de CO2.