Photocatalyse et nanoparticules de dioxyde de titane. Bac S 2014

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Depuis 2001, on trouve dans le commerce des vitres dites « auto-nettoyantes ». Ces vitres sont recouvertesd’une couche transparente de nanoparticules de dioxyde de titane TiO2. Sous l’action de la lumière solaire, cette couche facilite la réaction de décomposition, par le dioxygène et l’eau, des matières organiques présentes dans les salissures. Les produits de cette dégradation sont solubles dans l’eau et facilement éliminés par la pluie. Ce phénomène de catalyse d’une réaction chimique par l’action de la lumière s’appelle photocatalyse.
Montrer que la lumière solaire permet l’action photocatalytique du dioxyde de titane recouvrant les vitres auto-nettoyantes.
Les niveaux d’énergie électroniques d’une nanoparticule de dioxyde de titane TiO2 sont quantifiés, très resserrés, et regroupés en « bandes » d’énergie. Seulement 3,2 eV séparent la bande de valence de la bande de conduction.
Energie d'un photon solaire du proche UV (  l ~350 nm ) : E = h c/l = 6,6 10-34*3,0 108 / (350 10-9) ~5,7 10-19 J
ou 5
,7 10-19 / (1,6 10-19) =3,5 eV
L'absorption d'un photon du proche UV par une nanoparticule de TiO2 permet à un électron de passer de la bande de valence à la bande de conduction. Ce dernier, capturé par une molécule de dioxygène adsorbée à la surface du catalyseur, conduit à la formation d'un ion superoxyde O2-. Simultanément, l'eau présente dans l'atmophère cède un électron à la bande de valence : il en résulte un radical hydroxyle et un ion H+.
Le radical hydroxyle et l'ion superoxyde, très réactifs, oxydent alors la matière organique des salissures.

Vérification expérimentale de l’effet catalytique de TiO2 sur la dégradation du bleu de méthylène.
 Justifier la longueur d’onde choisie dans le suivi spectrophotomètrique.
Pour une plus grande précision, on choisit une longueur d'onde pour laquelle le bleu de méthylène présente un maximum d'absorption. l = 660 nm.





Le suivi spectrophotomètrique réalisé permet-il de vérifier que le dioxyde de titane est un catalyseur ?
A la longueur d'onde choisie, seul le bleu de méthylène absorbe ; de plus les produits de la décomposition de ce dernier par le dioxygène sont tous incolores.
L'absorbance dans le becher A ( solution de bleu de méthylène, sans catalyseur, agitation, exposition à la lumière UV ) reste pratiquement constante durant quelques heures. Le bleu de méthylène n'est pas décomposé par le dioxygène de l'air.
Le becher B est placé dans les mêmes conditions expérimentales ; il contient en plus 300 mg de dioxyde de titane.
L'absorbance, initialement identique à celle du becher A, diminue au cours des heures ; elle est voisine de zéro au bout de quelques heures.
Le dioxyde de titane catalyse donc la décomposition du bleu de méthylène par le dioxygène de l'air.
Comment compléter le protocole afin de montrer que le dioxyde de titane Degussa® P25 est un photocatalyseur ? Décrire les résultats attendus par la mise en oeuvre de ce protocole.
On pourrait reprende le protocole sans exposer les bechers à la lumière UV.

Dans ce cas, le dioxyde de titane ne peut plus jouer le rôle de catalyseur et l'absorbnace dans les deux bechers restera constante. TiO2 est donc bien un photocatalyseur.
On pourrait également modifier la taille des molécules de TiO2 et montrer qu'au delà de 100 nm de diamètre ce dernier ne joue plus son rôle de photocatalyseur.

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