FR3130172A1 - method for preparing a material in the form of a porous silica monolith comprising titanium oxide nanoparticles, said material and its applications - Google Patents

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Rénal Backov
Thierry PIGOT
Mickael LE BECHEC
Thierry Toupance
Elodie LAYAN
Isabelle LY VANG
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Bordeaux
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Abstract

L’invention concerne un procédé de préparation d’un matériau sous la forme d’un monolithe poreux comprenant une matrice de silice et des nanoparticules de TiO2, un matériau sous la forme d’un monolithe poreux comprenant une matrice de silice et des nanoparticules de TiO2, ses utilisations notamment en tant que photocatalyseur ou dans le domaine de la photo-purification de l’air, de la purification d’atmosphères confinées et de la photo-réduction du CO2 en carburants, ainsi qu’un procédé de décontamination d’un milieu gazeux mettant en œuvre ledit matériau. Figure à publier : figure 1The invention relates to a method for preparing a material in the form of a porous monolith comprising a silica matrix and TiO2 nanoparticles, a material in the form of a porous monolith comprising a silica matrix and nanoparticles of TiO2, its uses in particular as a photocatalyst or in the field of the photo-purification of air, the purification of confined atmospheres and the photo-reduction of CO2 into fuels, as well as a process for decontaminating a gaseous medium implementing said material. Figure to be published: figure 1

Description

procédé de préparation d’un matériau sous la forme d’un monolithe de silice poreux comprenant des nanoparticules d’oxyde de titane, ledit matériau et ses applicationsmethod for preparing a material in the form of a porous silica monolith comprising titanium oxide nanoparticles, said material and its applications

La présente invention est relative à un procédé de préparation d’un matériau sous la forme d’un monolithe poreux comprenant une matrice de silice et des nanoparticules de TiO2, à un matériau sous la forme d’un monolithe poreux comprenant une matrice de silice et des nanoparticules de TiO2, à ses utilisations notamment en tant que photocatalyseur ou dans le domaine de la photo-purification de l’air, de la purification d’atmosphères confinées et de la photo-réduction du CO2en carburants, ainsi qu’à un procédé de décontamination d’un milieu gazeux mettant en œuvre ledit matériau.The present invention relates to a method for preparing a material in the form of a porous monolith comprising a silica matrix and TiO 2 nanoparticles, to a material in the form of a porous monolith comprising a silica matrix and nanoparticles of TiO 2 , to its uses in particular as a photocatalyst or in the field of the photo-purification of air, the purification of confined atmospheres and the photo-reduction of CO 2 into fuels, as well as to a process for decontaminating a gaseous medium implementing said material.

Les composés organiques volatils (COVs) font partie des principaux polluants atmosphériques. Les COVs se définissent comme tout composé organique, d’origine naturelle ou anthropique qui a la particularité d'avoir un point d'ébullition très bas : par conséquent, il s'évapore ou se sublime facilement depuis sa forme solide ou liquide dans des conditions normales de température et de pression. Plus particulièrement, selon la directive 1999/13/CE du conseil européen, un COV correspond à tout composé contenant au moins l’élément carbone et un ou plusieurs éléments suivants : hydrogène, halogène, oxygène, soufre, phosphore, silicium ou azote, à l'exception des oxydes de carbone et des carbonates et des bicarbonates inorganiques, et ayant une pression de vapeur de 0,01 kPa ou plus à une température de 293,15 K. Cela lui confère l'aptitude de se propager plus ou moins loin de son lieu d'émission, entraînant alors des impacts directs et indirects sur les animaux et la nature. Les COVs décelés dans l’environnement intérieur sont générés principalement par des meubles, produits d’entretien, cosmétiques, peintures, bois, colles, textiles, plastiques, tabac, etc... Beaucoup de COVs sont toxiques, notamment les plus volatils et/ou les plus réactifs. Certains sont par exemple considérés comme engendrant des effets chroniques sur la santé lors d’une exposition sur le long terme tels que le toluène, le benzène, le xylène, qui sont des solvants couramment utilisés dans l’industrie appartenant à la famille des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAPs). Certains alcools (méthanol, propanol), des composés halogénés, ou encore des aldéhydes (formaldéhyde), sont également décrits comme cancérigènes avérés ou probables et/ou perturbateurs endocriniens chez l’homme. Des cas de cancers issus d’une exposition professionnelle au méthanol et au formaldéhyde sont à présent avérés. Enfin, l’émission de COVs peut contribuer à la formation de nuages de pollution urbaine et de l’ozone, à l'amincissement de la couche d'ozone dans la stratosphère, et à l’effet de serre. Les principaux COVs dans l'air ambiant sont : le formaldéhyde, l'acétaldéhyde, l'acétone, l'octane, les alcools dont l'isopropanol, le décane, le benzène, et le toluène.Volatile organic compounds (VOCs) are among the main air pollutants. VOCs are defined as any organic compound, of natural or anthropogenic origin, which has the particularity of having a very low boiling point: consequently, it evaporates or sublimates easily from its solid or liquid form under normal temperature and pressure. More specifically, according to European Council Directive 1999/13/EC, a VOC corresponds to any compound containing at least the element carbon and one or more of the following elements: hydrogen, halogen, oxygen, sulphur, phosphorus, silicon or nitrogen, except carbon oxides and inorganic carbonates and bicarbonates, and having a vapor pressure of 0.01 kPa or more at a temperature of 293.15 K. This gives it the ability to propagate more or less far from its place of emission, resulting in direct and indirect impacts on animals and nature. The VOCs detected in the indoor environment are generated mainly by furniture, cleaning products, cosmetics, paints, wood, glues, textiles, plastics, tobacco, etc... Many VOCs are toxic, especially the most volatile and/or or the most responsive. Some are, for example, considered to cause chronic health effects during long-term exposure, such as toluene, benzene, xylene, which are solvents commonly used in industry belonging to the family of aromatic hydrocarbons. polycyclics (PAHs). Certain alcohols (methanol, propanol), halogenated compounds, or even aldehydes (formaldehyde), are also described as proven or probable carcinogens and/or endocrine disruptors in humans. Cases of cancer resulting from occupational exposure to methanol and formaldehyde have now been confirmed. Finally, the emission of VOCs can contribute to the formation of urban pollution clouds and ozone, to the thinning of the ozone layer in the stratosphere, and to the greenhouse effect. The main VOCs in ambient air are: formaldehyde, acetaldehyde, acetone, octane, alcohols including isopropanol, decane, benzene, and toluene.

Pour surmonter le risque sanitaire associé à l’émission de COVs, de nombreuses techniques ont été proposées pour réduire, voire supprimer la présence de COVs dans l’air. Les polluants tels que les COVs sont éliminés conventionnellement à l’aide de purificateurs d’air qui emploient des filtres pour enlever des matières particulaires, ou qui utilisent des matériaux adsorbants tels que par exemple du charbon actif granulaire. Ces techniques transfèrent uniquement les contaminants dans une autre phase au lieu de les détruire. Un traitement supplémentaire ou des étapes manuelles sont donc requises. Une alternative aux purificateurs d’air est l’oxydation photocatalytique des COVs en présence de catalyseurs semi-conducteurs tels que TiO2, ZnO, WO3, ZnS, et CdS, et d’ultraviolets ou d’une illumination proche-ultraviolet, qui permet d’oxyder les composés organiques en dioxyde de carbone, eau, et acides minéraux. Des poudres de ces catalyseurs ont dans un premier temps été utilisées. Puis, afin d’éviter la propagation de nanoparticules dans l’effluent à traiter ou pour éviter une étape fastidieuse de nanofiltration, de nombreuses études se sont concentrées sur la conception de matériaux photocatalytiques supportés. En particulier, le matériau photocatalytique Quartzel®PCO développé et commercialisé par Saint Gobain Quartz est un feutre de fibres de quartz enchevêtrées (pureté > 99,99%, diamètre 8-12 µm) sur lesquelles est supporté un photocatalyseur à base de TiO2synthétisé par méthode sol-gel. Un tel matériau présente les inconvénients d’être cassant, de par notamment le dépôt de particules de TiO2sur des fibres, d’avoir une efficacité surfacique uniquement, et d’induire un risque de perte de TiO2particulaire. Par ailleurs, un tel matériau est difficilement miniaturisable.To overcome the health risk associated with the emission of VOCs, many techniques have been proposed to reduce or even eliminate the presence of VOCs in the air. Pollutants such as VOCs are conventionally removed using air purifiers which employ filters to remove particulate matter, or which use adsorbent materials such as, for example, granular activated carbon. These techniques only transfer contaminants to another phase instead of destroying them. Additional processing or manual steps are therefore required. An alternative to air purifiers is the photocatalytic oxidation of VOCs in the presence of semiconductor catalysts such as TiO 2 , ZnO, WO 3 , ZnS, and CdS, and ultraviolet or near-ultraviolet illumination, which oxidizes organic compounds to carbon dioxide, water, and mineral acids. Powders of these catalysts were initially used. Then, in order to avoid the propagation of nanoparticles in the effluent to be treated or to avoid a tedious step of nanofiltration, many studies have focused on the design of supported photocatalytic materials. In particular, the Quartzel®PCO photocatalytic material developed and marketed by Saint Gobain Quartz is a felt of tangled quartz fibers (purity > 99.99%, diameter 8-12 µm) on which is supported a photocatalyst based on synthesized TiO 2 by sol-gel method. Such a material has the drawbacks of being brittle, in particular due to the deposition of TiO 2 particles on fibres, of having a surface efficiency only, and of inducing a risk of loss of particulate TiO 2 . Moreover, such a material is difficult to miniaturize.

D’autres matériaux à base de TiO2ont été proposés dans la demande de brevet FR2975309, tels qu’un monolithe macrocellulaire autosupporté composé d'un matériau comprenant une matrice d'oxyde de titane comprenant au moins 80 % en masse de dioxyde de titane sous forme anatase, et au plus 20 % en masse de dioxyde de titane sous forme rutile, ledit monolithe étant exempt de micropores et comprenant des macropores ayant une dimension moyenne dA de 100 nm à 3 µm et des mésopores interparticulaires ayant une dimension moyenne dE de 2 à 20 nm, lesdits pores étant interconnectés. Le procédé de préparation du monolithe met en œuvre un précurseur d'oxyde de titane Ti(OiPr4), et la préparation d’une émulsion huile dans eau. Le monolithe est utilisé dans la décontamination d'un milieu gazeux susceptible de contenir un ou plusieurs composés organiques volatils. Cependant, ledit monolithe présente de faibles niveaux d’adsorption des COVs. Par ailleurs, lorsque le précurseur d'oxyde de titane est remplacé par un mélange d’un précurseur d'oxyde de titane et d’un précurseur d’oxyde de silicium (TEOS), le monolithe obtenu ne présente plus d’activité photocatalytique.Other materials based on TiO 2 have been proposed in patent application FR2975309, such as a self-supporting macrocellular monolith composed of a material comprising a titanium oxide matrix comprising at least 80% by mass of titanium dioxide in anatase form, and at most 20% by mass of titanium dioxide in rutile form, said monolith being free of micropores and comprising macropores having an average dimension dA of 100 nm to 3 µm and interparticle mesopores having an average dimension dE of 2 to 20 nm, said pores being interconnected. The process for preparing the monolith uses a precursor of titanium oxide Ti(OiPr 4 ), and the preparation of an oil-in-water emulsion. The monolith is used in the decontamination of a gaseous medium likely to contain one or more volatile organic compounds. However, said monolith has low levels of VOC adsorption. Furthermore, when the titanium oxide precursor is replaced by a mixture of a titanium oxide precursor and a silicon oxide precursor (TEOS), the monolith obtained no longer exhibits photocatalytic activity.

Par conséquent, il existe un besoin en catalyseurs ayant des performances photocatalytiques améliorées et capables de réduire, voire d’éliminer les COVs de l’air ambiant. Il existe également un besoin en un procédé de fabrication d’un photocatalyseur qui soit industrialisable, simple et économique.Therefore, there is a need for catalysts with improved photocatalytic performance capable of reducing or even eliminating VOCs from ambient air. There is also a need for a process for manufacturing a photocatalyst which is industrializable, simple and economical.

Ainsi, le but de la présente invention est de pallier les inconvénients de l’art antérieur précité et de fournir un catalyseur ayant des propriétés photocatalytiques améliorées pour la purification de l’air, et qui peut être facilement manipulé et éliminé après usage. Un autre but de la présente invention est de fournir un procédé de préparation d’un photocatalyseur qui soit simple, économique, et industrialisable.Thus, the object of the present invention is to overcome the drawbacks of the aforementioned prior art and to provide a catalyst having improved photocatalytic properties for the purification of air, and which can be easily handled and disposed of after use. Another object of the present invention is to provide a process for preparing a photocatalyst which is simple, economical and industrializable.

Le but de l’invention est atteint par le procédé de préparation d’un matériau sous la forme d’un monolithe poreux qui va être décrit ci-après.The object of the invention is achieved by the process for preparing a material in the form of a porous monolith which will be described below.

La présente invention a ainsi pour premier objet un procédé de préparation d’un matériau sous la forme d’un monolithe poreux comprenant une matrice d’oxyde de silicium, et des nanoparticules de TiO2, ledit procédé comprenant :
i) une étape de préparation d’une phase aqueuse acide comprenant au moins un tensioactif cationique et des nanoparticules de TiO2,
ii) une étape d’ajout d’un précurseur de silice à la phase aqueuse acide de l’étape i),
iii) une étape d’ajout d’une phase huileuse à la phase aqueuse acide de l’étape ii) pour former une émulsion,
iv) une étape de polycondensation,
v) une étape d’élimination de la phase huileuse, et
vi) une étape de calcination.
The first subject of the present invention is thus a method for preparing a material in the form of a porous monolith comprising a matrix of silicon oxide, and nanoparticles of TiO 2 , said method comprising:
i) a step for preparing an acidic aqueous phase comprising at least one cationic surfactant and TiO 2 nanoparticles,
ii) a step of adding a silica precursor to the acidic aqueous phase of step i),
iii) a step of adding an oily phase to the acidic aqueous phase of step ii) to form an emulsion,
iv) a polycondensation step,
v) a step for removing the oily phase, and
vi) a calcining step.

Grâce au procédé de l’invention, et en particulier grâce à l’utilisation de nanoparticules de TiO2en association avec la polycondensation du précurseur de silice, on obtient en peu d’étapes et de manière simple un monolithe poreux à porosité multi-échelle comprenant une matrice de silice et des nanoparticules de TiO2. Le procédé permet de garantir la conservation de l’activité photocatalytique native des nanoparticules de TiO2initiales qui sont mises en œuvre dans l’étape i). Par ailleurs, il permet de s’affranchir de l’utilisation de précurseurs de TiO2tels que par exemple Ti(OiPr4) qui sont difficiles à éliminer en fin de synthèse et ne sont donc pas appropriés pour un industrialisation du procédé. Enfin, le procédé permet d’obtenir un matériau poreux présentant des performances améliorées en tant que photocatalyseur, comprenant une répartition en volume des nanoparticules de TiO2, évitant ainsi une perte de TiO2particulaire et rendant envisageable une miniaturisation des purificateurs d’air.Thanks to the process of the invention, and in particular thanks to the use of TiO 2 nanoparticles in association with the polycondensation of the silica precursor, a porous monolith with multi-scale porosity is obtained in a few steps and in a simple manner. comprising a silica matrix and TiO 2 nanoparticles. The method makes it possible to guarantee the preservation of the native photocatalytic activity of the initial TiO 2 nanoparticles which are implemented in step i). Moreover, it makes it possible to dispense with the use of TiO 2 precursors such as for example Ti(OiPr 4 ) which are difficult to eliminate at the end of the synthesis and are therefore not suitable for industrialization of the process. Finally, the method makes it possible to obtain a porous material having improved performance as a photocatalyst, comprising a distribution by volume of the TiO 2 nanoparticles, thus avoiding a loss of particulate TiO 2 and making it possible to miniaturize air purifiers.

Au sens de la présente invention, on entend par monolithe un objet solide dont la plus petite dimension est d’au moins 1 mm. Les monolithes sont faciles à mettre en forme (colonnes, films, billes) du fait de l’absence de pulvérulence.Within the meaning of the present invention, monolith means a solid object whose smallest dimension is at least 1 mm. The monoliths are easy to shape (columns, films, balls) due to the absence of powder.

Dans le matériau obtenu selon le procédé de l’invention, la matrice d’oxyde de silicium est une matrice continue.In the material obtained according to the process of the invention, the matrix of silicon oxide is a continuous matrix.

Au sens de la présente invention, on entend par nanoparticules de TiO2, des particules ayant une taille inférieure ou égale à 500 nm environ, de préférence inférieure ou égale à 200 nm, et de façon particulièrement préférée inférieure ou égale à 100 nm.Within the meaning of the present invention, the term “TiO 2 nanoparticles” means particles having a size less than or equal to approximately 500 nm, preferably less than or equal to 200 nm, and in a particularly preferred manner less than or equal to 100 nm.

Les nanoparticules de TiO2ont de préférence au moins une taille supérieure à 1 nm, et de préférence supérieure à 3 nm.The TiO 2 nanoparticles preferably have at least one size greater than 1 nm, and preferably greater than 3 nm.

Selon une forme de réalisation particulièrement préférée de l’invention, les nanoparticules de TiO2présentent une taille allant de 5 à 40 nm environ.According to a particularly preferred embodiment of the invention, the TiO 2 nanoparticles have a size ranging from approximately 5 to 40 nm.

La taille des nanoparticules de TiO2peut être déterminée par des méthodes bien connues de l’homme du métier, et en particulier par MET (microscopie électronique à transmission).The size of the TiO 2 nanoparticles can be determined by methods well known to those skilled in the art, and in particular by TEM (transmission electron microscopy).

Les nanoparticules de TiO2sont de préférence monodisperses. En d’autres termes, leur taille présente un écart type (largeur de la distribution de tailles autour de la moyenne) allant de 3 à 15 nanomètres.The TiO 2 nanoparticles are preferably monodisperse. In other words, their size has a standard deviation (width of the size distribution around the mean) ranging from 3 to 15 nanometers.

Etape i)Step i)

Dans un mode de réalisation avantageux de l’invention, le tensioactif cationique est choisi parmi les ammoniums quaternaires ayant au moins 8 atomes de carbone. On peut citer à titre d’exemples le bromure de tetradécyltriméthylammonium (TTAB), le bromure de dodécyltriméthylammonium, et le bromure de cétyl-triméthylammonium.In an advantageous embodiment of the invention, the cationic surfactant is chosen from quaternary ammoniums having at least 8 carbon atoms. Examples include tetradecyltrimethylammonium bromide (TTAB), dodecyltrimethylammonium bromide, and cetyltrimethylammonium bromide.

Le tensioactif cationique représente de préférence au moins 15% en masse environ, et de façon particulièrement préférée de 20 à 35 % en masse environ, par rapport à la masse totale de phase aqueuse acide de l’étape i).The cationic surfactant preferably represents at least 15% by mass approximately, and particularly preferably from 20 to 35% by mass approximately, relative to the total mass of acidic aqueous phase of step i).

Une telle concentration massique permet d’obtenir un milieu réactionnel initial visqueux et de favoriser la formation d’une émulsion stable lors des étapes ultérieures.Such a mass concentration makes it possible to obtain an initial viscous reaction medium and to promote the formation of a stable emulsion during the subsequent stages.

Le dioxyde de titane (TiO2) des nanoparticules de l’étape i) comprend de préférence au moins 60 % en masse environ de dioxyde de titane sous forme anatase, et de façon particulièrement préférée au moins 80% en masse environ de dioxyde de titane sous forme anatase, par rapport à la masse totale de dioxyde de titane. Cela permet ainsi d’améliorer les performances photocatalytiques du matériau obtenu.The titanium dioxide (TiO 2 ) of the nanoparticles of step i) preferably comprises at least 60% by mass approximately of titanium dioxide in anatase form, and in a particularly preferred manner at least 80% by mass approximately of titanium dioxide in anatase form, relative to the total mass of titanium dioxide. This thus makes it possible to improve the photocatalytic performance of the material obtained.

Le dioxyde de titane (TiO2) des nanoparticules de l’étape i) comprend de préférence au plus 40 % en masse environ de dioxyde de titane sous forme rutile, et de façon particulièrement préférée au plus 20% en masse environ de dioxyde de titane sous forme rutile, par rapport à la masse totale de dioxyde de titane. Cela permet ainsi d’améliorer les performances photocatalytiques du matériau obtenu.The titanium dioxide (TiO 2 ) of the nanoparticles of step i) preferably comprises at most 40% by mass approximately of titanium dioxide in rutile form, and in a particularly preferred manner at most 20% by mass approximately of titanium dioxide in rutile form, relative to the total mass of titanium dioxide. This thus makes it possible to improve the photocatalytic performance of the material obtained.

Les nanoparticules de TiO2représentent de préférence au moins 0,5 % en masse environ, et de façon particulièrement préférée de 0,8 à 8,0 % en masse environ, par rapport à la masse totale de phase aqueuse acide de l’étape i). Une telle concentration massique minimale permet de garantir une activité photocatalytique suffisante. Par ailleurs, une telle concentration massique maximale permet de limiter la viscosité de la phase aqueuse acide et de garantir une bonne dispersion des nanoparticules de TiO2sans risque de séparations de phases et/ou de perte du caractère monolithique du matériau final.The TiO 2 nanoparticles preferably represent at least 0.5% by mass approximately, and in a particularly preferred manner from 0.8 to 8.0% by mass approximately, relative to the total mass of acidic aqueous phase of step i). Such a minimum mass concentration makes it possible to guarantee sufficient photocatalytic activity. Furthermore, such a maximum mass concentration makes it possible to limit the viscosity of the acidic aqueous phase and to guarantee good dispersion of the TiO 2 nanoparticles without risk of phase separations and/or loss of the monolithic nature of the final material.

La phase aqueuse de l’étape i) est une phase aqueuse acide. Son pH est en particulier inférieur au point isoélectrique de la silice, i.e. inférieur à 2,1, et va de préférence de 0,05 (acidité de Hammet) à 1.The aqueous phase of step i) is an acidic aqueous phase. Its pH is in particular lower than the isoelectric point of silica, i.e. lower than 2.1, and preferably ranges from 0.05 (Hammet's acidity) to 1.

Selon une forme de réalisation particulièrement préférée de l’invention, l’étape i) est réalisée selon les sous-étapes suivantes :
i-1) une sous-étape de préparation d’une phase aqueuse comprenant de l’eau et le tensioactif cationique,
i-2) une sous-étape d’ajout des nanoparticules de TiO2dans la phase aqueuse, et
i-3) une sous-étape d’acidification de la phase aqueuse.
According to a particularly preferred embodiment of the invention, step i) is carried out according to the following sub-steps:
i-1) a sub-step of preparing an aqueous phase comprising water and the cationic surfactant,
i-2) a sub-step of adding TiO 2 nanoparticles to the aqueous phase, and
i-3) a sub-step of acidification of the aqueous phase.

Le tensioactif cationique représente de préférence au moins 10% en masse environ, et de façon particulièrement préférée de 20 à 45 % en masse environ, par rapport à la masse totale d’eau.The cationic surfactant preferably represents at least 10% by mass approximately, and particularly preferably from 20 to 45% by mass approximately, relative to the total mass of water.

Les nanoparticules de TiO2représentent de préférence au moins 0,5% en masse environ, et de façon particulièrement préférée de 1 à 10% en masse environ, par rapport à la masse totale de phase aqueuse.The TiO 2 nanoparticles preferably represent at least 0.5% by mass approximately, and particularly preferably from 1 to 10% by mass approximately, relative to the total mass of aqueous phase.

La sous-étape i-3) est effectuée par ajout d’une solution d’acide fort telle qu’une solution d’acide chlorhydrique à 37% en masse environ, dans la phase aqueuse de la sous-étape i-2).Sub-step i-3) is carried out by adding a strong acid solution such as a hydrochloric acid solution at approximately 37% by mass, to the aqueous phase of sub-step i-2).

L’étape i) [respectivement les sous-étapes i-1), i-2) et i-3)] sont généralement effectuées à température ambiante (i.e. 18-25°C).Step i) [respectively sub-steps i-1), i-2) and i-3)] are generally carried out at room temperature (i.e. 18-25°C).

Etape ii)Step ii)

L’étape ii) permet d’ajouter un précurseur de silice à la phase aqueuse acide de l’étape i).Stage ii) makes it possible to add a silica precursor to the acidic aqueous phase of stage i).

Dans un mode de réalisation avantageux de l’invention, le précurseur de silice est un alkoxyde de silicium.In an advantageous embodiment of the invention, the silica precursor is a silicon alkoxide.

On peut citer à titre d’exemple le tétraéthoxy-orthosilicate (TEOS), le (3-mercaptopropyl)triméthoxyxilane, le (3-aminopropyl)triéthoxysilane, le N-(3-triméthoxysilylpropyl)pyrrole, le 3-(2,4-dinitrophénylamino)propyltriéthoxysilane, le N-(2-aminoéthyl)-3-aminopropyltriméthoxysilane, le phényltriéthoxysilane et le méthyltriéthoxysilane. Le TEOS est particulièrement avantageux.Mention may be made, by way of example, of tetraethoxy-orthosilicate (TEOS), (3-mercaptopropyl)trimethoxysilane, (3-aminopropyl)triethoxysilane, N-(3-trimethoxysilylpropyl)pyrrole, 3-(2,4- dinitrophenylamino)propyltriethoxysilane, N-(2-aminoethyl)-3-aminopropyltrimethoxysilane, phenyltriethoxysilane and methyltriethoxysilane. The TEOS is particularly advantageous.

Les solutions de silicate de sodium peuvent également être envisagées comme précurseur de silice.Sodium silicate solutions can also be considered as a silica precursor.

Le précurseur de silice représente de préférence au moins 5% en masse environ, et de façon particulièrement préférée de 10 à 30% en masse environ, par rapport à la masse totale de la phase aqueuse acide. Cette concentration massique permet d’obtenir une minéralisation totale du matériau et une bonne tenue mécanique.The silica precursor preferably represents at least 5% by mass approximately, and particularly preferably from 10 to 30% by mass approximately, relative to the total mass of the acidic aqueous phase. This mass concentration makes it possible to obtain total mineralization of the material and good mechanical strength.

L’étape ii) est de préférence effectuée à température ambiante (i.e. 18-25°C).Step ii) is preferably carried out at room temperature (i.e. 18-25°C).

L’étape ii) est de préférence conduite sous agitation, par exemple pendant une durée de 5 à 20 min environ. Cela permet ainsi de favoriser l’hydrolyse du précurseur de silice, ainsi que l’évaporation au moins partielle des solvants issus du précurseur de silice.Step ii) is preferably carried out with stirring, for example for a period of approximately 5 to 20 min. This thus makes it possible to promote the hydrolysis of the silica precursor, as well as the at least partial evaporation of the solvents resulting from the silica precursor.

Etape iii)Step iii)

L’étape iii) est une étape d’émulsification d’une phase huileuse dans la phase aqueuse acide de l’étape ii).Stage iii) is a stage of emulsification of an oily phase in the acidic aqueous phase of stage ii).

Dans un mode de réalisation avantageux de l’invention, la phase huileuse comprend un ou plusieurs composés choisis parmi les alcanes linéaires et ramifiés ayant au moins 9 atomes de carbone. De manière encore plus avantageuse, les alcanes linéaires comprennent entre 10 et 12 atomes de carbone. À titre d’exemple, on peut citer le décane ou le dodécane.In an advantageous embodiment of the invention, the oily phase comprises one or more compounds chosen from linear and branched alkanes having at least 9 carbon atoms. Even more advantageously, the linear alkanes comprise between 10 and 12 carbon atoms. By way of example, we can cite decane or dodecane.

Selon un mode de réalisation, la phase huileuse représente de 50 à 80% en volume environ, par rapport au volume total de l'émulsion [i.e. phase huileuse + phase aqueuse acide de l’étape ii)]. Cette étape d’émulsification est primordiale pour obtenir un réseau macroporeux au sein du matériau.According to one embodiment, the oily phase represents approximately 50 to 80% by volume, relative to the total volume of the emulsion [i.e. oily phase + acid aqueous phase from step ii)]. This emulsification step is essential to obtain a macroporous network within the material.

Conformément à l’invention, la fraction volumique phase huileuse/phase aqueuse acide de l’étape ii) permet de contrôler la taille des macropores. Une augmentation de ladite fraction volumique entraîne une augmentation de la viscosité du milieu réactionnel, et par conséquent du cisaillement lors de l'agitation. Les gouttelettes dans l'émulsion deviennent plus petites et développent ainsi plus de surface à recouvrir par minéralisation. Ainsi, à concentration en précurseur de silice constante, l’augmentation de surface spécifique à recouvrir en augmentant la fraction volumique en huile, induira des minéralisations seulement partielles des bords de Plateau, pouvant engendrer une perte de l’aspect monolithique. Ainsi, pour une fraction volumique phase huileuse/phase aqueuse supérieure à 0,78, la résistance mécanique pourrait être insuffisante pour obtenir un monolithe autosupporté et le produit final peut alors être sous forme de poudre. Ainsi, le rapport volumique phase huileuse/phase aqueuse est de préférence inférieur à 0,78, et avantageusement va de 0,6 et 0,7.In accordance with the invention, the oily phase/acid aqueous phase volume fraction of step ii) makes it possible to control the size of the macropores. An increase in said volume fraction leads to an increase in the viscosity of the reaction medium, and consequently in shear during stirring. The droplets in the emulsion become smaller and thus develop more surface area to be covered by mineralization. Thus, at a constant silica precursor concentration, the increase in specific surface to be covered by increasing the volume fraction of oil, will induce only partial mineralization of the edges of the Plateau, which can cause a loss of the monolithic appearance. Thus, for an oily phase/aqueous phase volume fraction greater than 0.78, the mechanical strength could be insufficient to obtain a self-supporting monolith and the final product can then be in the form of a powder. Thus, the oily phase/aqueous phase volume ratio is preferably less than 0.78, and advantageously ranges from 0.6 and 0.7.

L’étape iii) est de préférence effectuée en ajoutant à la phase aqueuse acide de l’étape ii) sous agitation continue, la phase huileuse au goutte à goutte.Stage iii) is preferably carried out by adding to the acidic aqueous phase of stage ii) with continuous stirring, the oily phase drop by drop.

Etape iv)Step iv)

Lors de l’étape iv) de polycondensation, seul le précurseur de silice s’hydrolyse et polycondense. En d’autres termes, les nanoparticules d’oxyde de titane restent intactes et le titane ne co-condense pas avec le silicium (le titane est spectateur de la polycondensation silicique).During step iv) polycondensation, only the silica precursor hydrolyzes and polycondensates. In other words, the titanium oxide nanoparticles remain intact and the titanium does not co-condense with the silicon (the titanium is a spectator of the silicic polycondensation).

L’étape iv) est de préférence réalisée à température ambiante (i.e. 18-25°C).Step iv) is preferably carried out at room temperature (i.e. 18-25°C).

L’étape iv) peut durer de 1 à 15 jours, et de préférence de 4 à 10 jours.Stage iv) can last from 1 to 15 days, and preferably from 4 to 10 days.

À l’issue de l’étape iv), on obtient un matériau solide (émulsion solidifiée).At the end of step iv), a solid material is obtained (solidified emulsion).

Le procédé peut comprendre en outre entre l’étape iii) et l’étape iv) une étape iii’) au cours de laquelle on coule l’émulsion de l’étape iii) dans un ou plusieurs récipients, et les récipients sont fermés, notamment afin de favoriser l’étape suivante iv) (prise en masse).The method may further comprise between step iii) and step iv) a step iii′) during which the emulsion of step iii) is poured into one or more containers, and the containers are closed, in particular in order to promote the following step iv) (caking).

Etape v)Step v)

L’étape d’élimination v) permet d’éliminer les résidus organiques provenant de la phase huileuse qui se trouvent essentiellement dans les macropores.The elimination step v) makes it possible to eliminate the organic residues originating from the oily phase which are essentially found in the macropores.

L’étape d’élimination de la phase huileuse est en particulier effectuée par lavage du solide obtenu à l’étape iv) avec un solvant organique.The stage of elimination of the oily phase is in particular carried out by washing the solid obtained in stage iv) with an organic solvent.

Le solvant organique peut être du tétrahydrofurane éventuellement en mélange avec de l’acétone (e.g. >90% en volume de THF), ou du dichlorométhane, et de préférence du dichlorométhane.The organic solvent can be tetrahydrofuran, optionally mixed with acetone (e.g. >90% by volume of THF), or dichloromethane, and preferably dichloromethane.

Le lavage peut durer de 10 à 15 heures, et avantageusement 12 heures.Washing can last from 10 to 15 hours, and advantageously 12 hours.

Selon une forme de réalisation préférée de l’invention, le lavage avec un solvant organique est effectué en plaçant le solide obtenu dans un ou plusieurs récipients contenant le solvant organique, ledit récipient étant lui-même enfermé à l’abri de toute humidité, de préférence dans un dessiccateur.According to a preferred embodiment of the invention, the washing with an organic solvent is carried out by placing the solid obtained in one or more containers containing the organic solvent, said container being itself enclosed away from any humidity, preferably in a desiccator.

L’étape d’élimination v) comprend de préférence l’étape de lavage précitée, suivie d’une étape de séchage, par exemple pendant une durée de 1 à 20 jours. Cela permet ainsi d’éviter une évaporation trop rapide du solvant organique. Une évaporation trop rapide du solvant organique peut altérer les propriétés mécaniques du matériau car les forces de capillarité induisent des fractures statistiques et incontrôlées des monolithes en cours de séchage.The removal step v) preferably comprises the aforementioned washing step, followed by a drying step, for example for a period of 1 to 20 days. This avoids too rapid evaporation of the organic solvent. Too rapid evaporation of the organic solvent can alter the mechanical properties of the material because the capillary forces induce random and uncontrolled fractures of the monoliths during drying.

Au cours de cette étape de séchage, l’excès de solvant organique est extrait des récipients. Pour ce faire, les matériaux lavés sont de préférence placés dans un dessiccateur pendant une durée allant de 1 jour à 1 semaine. Le couvercle du dessiccateur peut alors être remplacé par un matériau laissant passer le (ou favorisant l’extraction du) solvant organique tel que du papier.During this drying step, the excess organic solvent is extracted from the containers. To do this, the washed materials are preferably placed in a desiccator for a period ranging from 1 day to 1 week. The lid of the desiccator can then be replaced by a material that allows the passage of (or favors the extraction of) the organic solvent, such as paper.

L’étape de séchage peut comprendre en outre une étape de séchage supplémentaire au cours de laquelle les matériaux sont retirés du dessiccateur et sont laissés sécher à l’air par exemple sous hotte sans précautions particulières, de préférence pendant une durée de 1 à 5 jours.The drying step may further comprise an additional drying step during which the materials are removed from the desiccator and are left to air dry, for example under a fume hood, without special precautions, preferably for a period of 1 to 5 days. .

L’étape v) favorise la répartition homogène des nanoparticules de TiO2au sein de la matrice silicique.Stage v) promotes the homogeneous distribution of the TiO 2 nanoparticles within the silica matrix.

L’étape v) est de préférence effectuée à température ambiante (i.e. 18-25°C).Step v) is preferably carried out at ambient temperature (i.e. 18-25°C).

Le procédé peut comprendre en outre entre l’étape iv) de polycondensation et l’étape v) d’élimination de la phase huileuse, une étape iv’) au cours de laquelle le matériau solide issu de l’étape iv) est démoulé desdits récipients.The method may further comprise between step iv) of polycondensation and step v) of elimination of the oily phase, a step iv′) during which the solid material resulting from step iv) is unmolded from said containers.

Etape vi)Step vi)

L’étape vi) est une étape de calcination.Step vi) is a calcination step.

L’étape vi) permet de calciner les phases micellaires (tensioactif cationique) en créant une mésoporosité, et de fritter la céramique.Step vi) makes it possible to calcine the micellar phases (cationic surfactant) by creating a mesoporosity, and to sinter the ceramic.

L’étape vi) comprend de préférence :
- une première sous-étape vi-1) de calcination comprenant le chauffage d’une température initiale Tià une température Tc 1allant de 160 à 200 °C, avantageusement de 180 °C, avec une vitesse de chauffe allant de 0,5 à 3 °C/min, avantageusement égale à 2°C/min, puis le maintien de la température Tc 1pendant 3 à 10 heures, avantageusement pendant 6 heures, et
- une seconde sous-étape vi-2) de calcination comprenant le chauffage de la température Tc1à une température Tc2allant de 600 à 800 °C, avantageusement de 700 °C, avec une vitesse de chauffe allant de 0,5 à 2 °C/min, avantageusement égale à 1°C/min, puis le maintien de la température Tc2pendant 3 à 10 heures, avantageusement pendant 6 heures.
Step vi) preferably comprises:
- a first calcination sub-step vi-1) comprising heating from an initial temperature T i to a temperature T c 1 ranging from 160 to 200° C., advantageously 180° C., with a heating rate ranging from 0 5 to 3°C/min, advantageously equal to 2°C/min, then maintaining the temperature T c 1 for 3 to 10 hours, advantageously for 6 hours, and
- a second calcination sub-step vi-2) comprising heating from the temperature T c1 to a temperature T c2 ranging from 600 to 800°C, advantageously from 700°C, with a heating rate ranging from 0.5 to 2° C./min, advantageously equal to 1° C./min, then maintaining the temperature T c2 for 3 to 10 hours, advantageously for 6 hours.

Les sous-étapes vi-1) et vi-2) sont de préférence opérées sous air, par exemple avec une première rampe de montée en température de 25°C à 180°C (à 2°C par minute), en restant à 180°C pendant 6 heures. Ensuite, par exemple une seconde rampe de montée en température à 1°C/mn est appliquée de 180°C à 700°C et les matériaux sont maintenus à 700°C pendant 6 heures.The sub-steps vi-1) and vi-2) are preferably carried out in air, for example with a first temperature rise ramp from 25° C. to 180° C. (at 2° C. per minute), remaining at 180°C for 6 hours. Then, for example, a second temperature rise ramp at 1° C./min is applied from 180° C. to 700° C. and the materials are maintained at 700° C. for 6 hours.

La descente en température de la température Tc2à la température ambiante est non contrôlée et induite par l’inertie thermique inhérente du four. Cette étape vi) permet d’éliminer les résidus organiques provenant du tensioactif cationique qui se trouvent essentiellement dans les mésopores.The temperature drop from temperature T c2 to room temperature is uncontrolled and induced by the inherent thermal inertia of the oven. This step vi) makes it possible to eliminate the organic residues originating from the cationic surfactant which are essentially found in the mesopores.

À l’issue du procédé de l’invention, on obtient un matériau sous la forme d’un monolithe poreux, autosupporté, à porosité multi-échelle, comprenant ainsi des macropores, des mésopores, et des micropores, lesdits pores étant interconnectés.At the end of the process of the invention, a material is obtained in the form of a porous, self-supporting monolith, with multi-scale porosity, thus comprising macropores, mesopores, and micropores, said pores being interconnected.

Le procédé de l’invention, et notamment l’utilisation de nanoparticules de TiO2, permet de s’affranchir de l’utilisation de précurseurs de dioxyde de titane, et d’éviter ainsi le contrôle des cinétiques de polycondensation de TiO2et SiO2. Cela permet également de favoriser la formation d’un monolithe autosupporté.The process of the invention, and in particular the use of TiO 2 nanoparticles, makes it possible to dispense with the use of titanium dioxide precursors, and thus to avoid the control of the polycondensation kinetics of TiO 2 and SiO 2 . This also helps to promote the formation of a self-supporting monolith.

Le matériau obtenu selon le procédé conforme au premier objet de l’invention peut être tel que défini dans le deuxième objet de l’invention décrit ci-après.The material obtained according to the process in accordance with the first object of the invention may be as defined in the second object of the invention described below.

L’invention a pour deuxième objet un matériau sous la forme d’un monolithe poreux autosupporté, caractérisé en ce qu’il comprend une matrice d’oxyde de silicium, et des nanoparticules de TiO2, et en ce que :
- ledit matériau comprend des macropores, des mésopores, des micropores, et des parois formant un réseau poreux interconnecté, et
- les nanoparticules de TiO2sont réparties de manière statistique à la fois en surface des macropores, et en surface et dans le volume desdites parois (bords de Plateau).
A second subject of the invention is a material in the form of a self-supporting porous monolith, characterized in that it comprises a matrix of silicon oxide, and nanoparticles of TiO 2 , and in that:
- said material comprises macropores, mesopores, micropores, and walls forming an interconnected porous network, and
- the TiO 2 nanoparticles are distributed statistically both on the surface of the macropores, and on the surface and in the volume of said walls (plateau edges).

Les nanoparticules de dioxyde de titane sont réparties ou dispersées de manière statistique à l’échelle macroscopique. En particulier, les nanoparticules de TiO2se trouvent à la surface des macropores ainsi qu’à la surface et dans le volume des parois (bords de Plateau) formant le réseau poreux interconnecté.Titanium dioxide nanoparticles are randomly distributed or dispersed on a macroscopic scale. In particular, the TiO 2 nanoparticles are found on the surface of the macropores as well as on the surface and in the volume of the walls (edges of the Plateau) forming the interconnected porous network.

Le monolithe de l’invention est un monolithe autosupporté. En d’autres termes, il présente une tenue mécanique suffisante pour pouvoir être utilisé tel quel, i.e. sans support.The monolith of the invention is a self-supporting monolith. In other words, it has sufficient mechanical strength to be able to be used as is, i.e. without support.

Dans le matériau de l’invention, la matrice d’oxyde de silicium est une matrice continue.In the material of the invention, the silicon oxide matrix is a continuous matrix.

Dans un mode de réalisation avantageux de l’invention, ledit matériau comprend de 5% à 30% en masse environ de TiO2, et de préférence de 7% à 25% en masse environ de TiO2, par rapport à la masse totale de matériau (i.e. SiO2+ TiO2).In an advantageous embodiment of the invention, said material comprises from 5% to 30% by mass approximately of TiO 2 , and preferably from 7% to 25% by mass approximately of TiO 2 , relative to the total mass of material (ie SiO 2 + TiO 2 ).

Le dioxyde de titane (TiO2) des nanoparticules du matériau de l’invention comprend de préférence au moins 60 % en masse environ de dioxyde de titane sous forme anatase, et de façon particulièrement préférée au moins 80% en masse environ de dioxyde de titane sous forme anatase, par rapport à la masse totale de dioxyde de titane. Cela permet ainsi d’améliorer les performances photocatalytiques du matériau obtenu.The titanium dioxide (TiO 2 ) of the nanoparticles of the material of the invention preferably comprises at least 60% by mass approximately of titanium dioxide in anatase form, and in a particularly preferred manner at least 80% by mass approximately of titanium dioxide in anatase form, relative to the total mass of titanium dioxide. This thus makes it possible to improve the photocatalytic performance of the material obtained.

Le dioxyde de titane (TiO2) des nanoparticules du matériau de l’invention comprend de préférence au plus 40 % en masse environ de dioxyde de titane sous forme rutile, et de façon particulièrement préférée au plus 20% en masse environ de dioxyde de titane sous forme rutile, par rapport à la masse totale de dioxyde de titane.The titanium dioxide (TiO 2 ) of the nanoparticles of the material of the invention preferably comprises at most 40% by mass approximately of titanium dioxide in rutile form, and in a particularly preferred manner at most 20% by mass approximately of titanium dioxide in rutile form, relative to the total mass of titanium dioxide.

Ledit matériau est de préférence constitué d’une matrice d’oxyde de silicium, et des nanoparticules de TiO2 Said material preferably consists of a matrix of silicon oxide, and nanoparticles of TiO 2

Selon un mode de réalisation préféré de l’invention, le matériau possède un rapport molaire Ti/Si allant de 0,08 à 0,8) environ, et de façon particulièrement préférée de 0,09 à 0,65 environ.According to a preferred embodiment of the invention, the material has a Ti/Si molar ratio ranging from 0.08 to 0.8) approximately, and in a particularly preferred manner from 0.09 to 0.65 approximately.

Ce rapport molaire peut être déterminé par analyse élémentaire ICP (technique analytique à plasma à couplage inductif).This molar ratio can be determined by ICP elemental analysis (inductively coupled plasma analytical technique).

Conformément à l’invention, le matériau est un monolithe poreux à porosité à multi-échelle, i.e. comprenant des macropores (celles-ci provenant de la phase huileuse et de l’élimination de celle-ci), des mésopores (celles-ci provenant des systèmes micellaires ou lyotropes), et des micropores (celles-ci provenant de la répartition statistique des tétraèdres SiO4dans l'espace géométrique), lesdits pores étant interconnectés.In accordance with the invention, the material is a porous monolith with multi-scale porosity, ie comprising macropores (these coming from the oily phase and the elimination thereof), mesopores (these coming from micellar or lyotropic systems), and micropores (these coming from the statistical distribution of the SiO 4 tetrahedra in the geometric space), said pores being interconnected.

Les macropores (taille supérieure à 50 nm) peuvent être identifiés par microscopie électronique à balayage (MET) et leurs fenêtres de jonctions quantifiées par des mesures d'intrusion mercure. La mise en œuvre de la technique d'intrusion de mercure montre la bonne tenue mécanique des matériaux obtenus, qui résistent aux pressions de mercure auxquelles ils sont soumis lors des mesures.Macropores (larger than 50 nm) can be identified by scanning electron microscopy (TEM) and their junction windows quantified by mercury intrusion measurements. The implementation of the mercury intrusion technique shows the good mechanical strength of the materials obtained, which resist the mercury pressures to which they are subjected during the measurements.

La mésoporosité (taille allant de 2 à 50 nm) peut être identifiée par microscopie électronique à transmission (MET). La texture vermiculaire de la mésoporosité peut être identifiée par diffraction des RX aux petits angles, cette technique servant également à quantifier la distance de pore à pore (ou mur à mur). La mésoporosité et la microporosité peuvent être quantifiées et ségrégées par une technique d'adsorption-désorption d'azote dont le dépouillement se fait par la méthode de calcul BET (modèle de Brunauer, Emmett et Teller ou méthode BET) globalisant mésoporosité et microporosité (S. Brunauer, P. H. Emmet, E. Teller, Journal of the American Chemical Society, 1938, 60, 2, 309-319) ; et par la méthode de calcul B.J.H (Barrett, Joyner et Halenda, Journal of the American Chemical Society, 1951, 73, 373-380), selon laquelle la ségrégation entre microporosité et mésoporosité devient effective, la méthode BJH ne considérant que les pores supérieurs à 1,5 angströms.Mesoporosity (size ranging from 2 to 50 nm) can be identified by transmission electron microscopy (TEM). The vermicular texture of the mesoporosity can be identified by small angle X-ray diffraction, this technique also being used to quantify the pore-to-pore (or wall-to-wall) distance. Mesoporosity and microporosity can be quantified and segregated by a nitrogen adsorption-desorption technique whose counting is done by the BET calculation method (Brunauer, Emmett and Teller model or BET method) globalizing mesoporosity and microporosity (S Brunauer, P.H. Emmet, E. Teller, Journal of the American Chemical Society, 1938, 60, 2, 309-319); and by the B.J.H calculation method (Barrett, Joyner and Halenda, Journal of the American Chemical Society, 1951, 73, 373-380), according to which the segregation between microporosity and mesoporosity becomes effective, the BJH method only considering the upper pores at 1.5 angstroms.

Dans un mode de réalisation avantageux de l’invention, le matériau comprend des macropores ayant une dimension moyenne dA de 4 à 100 µm environ, des mésopores ayant une dimension moyenne dE de 30 à 60 Å environ, et des micropores ayant une dimension moyenne dI inférieure à 20 Å environ, lesdits pores étant interconnectés.In an advantageous embodiment of the invention, the material comprises macropores having an average dimension dA of approximately 4 to 100 μm, mesopores having an average dimension dE of approximately 30 to 60 Å, and micropores having an average dimension dI less than about 20 Å, said pores being interconnected.

Dans un mode de réalisation avantageux de l’invention, le matériau présente une surface spécifique allant de 500 à 1200 m2/g, de préférence allant de 550 à 1100 m2/g environ, et de façon particulièrement préférée allant de 600 à 1040 m2/g environ. Cela permet ainsi de garantir une certaine mésoporosité et de favoriser un temps de rétention suffisant du gaz à décontaminer au sein du matériau lors de la photocatalyse.In an advantageous embodiment of the invention, the material has a specific surface area ranging from 500 to 1200 m 2 /g, preferably ranging from 550 to 1100 m 2 /g approximately, and in a particularly preferred manner ranging from 600 to 1040 m 2 /g approx. This thus makes it possible to guarantee a certain mesoporosity and to promote a sufficient retention time of the gas to be decontaminated within the material during the photocatalysis.

Dans la présente invention, la surface spécifique est déterminée par des méthodes bien connues de l’homme du métier, et en particulier par la méthode BET, de préférence en utilisant du diazote comme gaz.In the present invention, the specific surface is determined by methods well known to those skilled in the art, and in particular by the BET method, preferably using dinitrogen as the gas.

Le matériau présente de préférence une densité de squelette d’au moins 1 g/cm3environ, de façon particulièrement préférée allant de 1,5 à 4,0 g/cm3environ, et de façon plus particulièrement préférée allant de 2,0 à 3,5 g/cm3environ. Cela permet ainsi de favoriser la propagation des photons au sein du matériau et ainsi ses propriétés photoniques lors de la catalyse.The material preferably has a backbone density of at least 1 g/cm 3 approximately, particularly preferably ranging from 1.5 to 4.0 g/cm 3 approximately, and more particularly preferably ranging from 2.0 at approximately 3.5 g/cm 3 . This thus makes it possible to promote the propagation of photons within the material and thus its photonic properties during catalysis.

Dans la présente invention, la densité du squelette est déterminée par des méthodes bien connues de l’homme du métier, et en particulier par pycnométrie à l’hélium, par exemple à l’aide d’un appareil vendu sous la dénomination commerciale Micromeritics AccuPy 1330.In the present invention, the density of the skeleton is determined by methods well known to those skilled in the art, and in particular by helium pycnometry, for example using a device sold under the trade name Micromeritics AccuPy 1330.

Le matériau présente de préférence une densité apparente d’au moins 0,06 g/cm3environ, de façon particulièrement préférée allant de 0,07 à 0,20 g/cm3environ, et de façon plus particulièrement préférée allant de 0,07 à 0,15 g/cm3environ. Cela permet ainsi de garantir une certaine macroporosité et de limiter la perte de charge lors de la catalyse.The material preferably has a bulk density of at least 0.06 g/cm 3 approximately, particularly preferably ranging from 0.07 to 0.20 g/cm 3 approximately, and more particularly preferably ranging from 0. 07 to 0.15 g/cm 3 approximately. This thus makes it possible to guarantee a certain macroporosity and to limit the pressure drop during catalysis.

Dans la présente invention, la densité apparente est déterminée par des méthodes bien connues de l’homme du métier, et en particulier par mesures d'intrusion de mercure à température ambiante, par exemple à l'aide d'un appareil commercialisé sous la dénomination Micromeritics Autopore IV.In the present invention, the apparent density is determined by methods well known to those skilled in the art, and in particular by mercury intrusion measurements at room temperature, for example using a device marketed under the name Micromeritics Autopore IV.

Le matériau présente de préférence une porosité d’au moins 80%, de façon particulièrement préférée allant de 85 à 98% environ, et de façon plus particulièrement préférée allant de 90 à 98% environ.The material preferably has a porosity of at least 80%, particularly preferably ranging from 85 to 98% approximately, and more particularly preferably ranging from 90 to 98% approximately.

Le matériau conforme au deuxième objet de l’invention peut être avantageusement obtenu selon un procédé tel que défini dans le premier objet de l’invention.The material in accordance with the second object of the invention can advantageously be obtained according to a method as defined in the first object of the invention.

L’invention a pour troisième objet l’utilisation d’un matériau tel que défini dans le deuxième objet de l’invention ou tel qu’obtenu selon un procédé tel que défini dans le premier objet de l’invention, en tant que photocatalyseur.A third object of the invention is the use of a material as defined in the second object of the invention or as obtained according to a process as defined in the first object of the invention, as a photocatalyst.

Selon un mode de réalisation avantageux, le matériau est utilisé pour catalyser la dégradation de composés organiques volatils en milieu gazeux sous l'influence d'une irradiation UV.According to an advantageous embodiment, the material is used to catalyze the degradation of volatile organic compounds in a gaseous medium under the influence of UV irradiation.

L’invention a pour quatrième objet l’utilisation d’un matériau tel que défini dans le deuxième objet de l’invention ou tel qu’obtenu selon un procédé tel que défini dans le premier objet de l’invention, dans le domaine de la photo-purification de l’air, de la purification d’atmosphères confinées, ou de la photo-réduction du CO2en carburants.The fourth object of the invention is the use of a material as defined in the second object of the invention or as obtained according to a process as defined in the first object of the invention, in the field of photo-purification of air, purification of confined atmospheres, or photo-reduction of CO 2 into fuels.

Parmi les composés organiques volatils dégradables par le matériau de l'invention, on peut citer les hydrocarbures halogénés, les hydrocarbures aromatiques, les alcanes, les alcènes, les alcynes, les aldéhydes, et les cétones, en particulier l'acétone, les alcanes légers, le benzène, le toluène, le xylène, les alcools, et les aldéhydes, et préférentiellement l’acétone, le benzène, le xylène, et toluène.Among the volatile organic compounds degradable by the material of the invention, mention may be made of halogenated hydrocarbons, aromatic hydrocarbons, alkanes, alkenes, alkynes, aldehydes, and ketones, in particular acetone, light alkanes , benzene, toluene, xylene, alcohols, and aldehydes, and preferentially acetone, benzene, xylene, and toluene.

L’invention a pour cinquième objet un procédé de décontamination d'un milieu gazeux contenant un ou plusieurs composés organiques volatils, ledit procédé étant caractérisé en ce que la décontamination est réalisée par passage dudit milieu gazeux au travers d’un matériau tel que défini dans le deuxième objet de l’invention ou tel qu’obtenu selon un procédé tel que défini dans le premier objet de l’invention, sous irradiation lumineuse.A fifth object of the invention is a process for decontaminating a gaseous medium containing one or more volatile organic compounds, said process being characterized in that the decontamination is carried out by passing said gaseous medium through a material as defined in the second object of the invention or as obtained according to a process as defined in the first object of the invention, under light irradiation.

Selon ce procédé, la photocatalyse des COVs est réalisée de façon instantanée dans tout le volume du matériau conforme à l'invention et non uniquement en surface comme dans les matériaux de l'art antérieur. Les rendements photocatalytiques sont ainsi augmentés. Par ailleurs, la dégradation des COVs est observée instantanément après l'irradiation UV, sans phase de latence, et est stable dans le temps. Le procédé de décontamination permet d’une part la captation des impuretés contenues dans les effluents à traiter et d’autre part leur dégradation.According to this process, the photocatalysis of the VOCs is carried out instantaneously in the entire volume of the material in accordance with the invention and not only at the surface as in the materials of the prior art. The photocatalytic yields are thus increased. Moreover, the degradation of VOCs is observed instantaneously after UV irradiation, without a latency phase, and is stable over time. The decontamination process allows on the one hand the capture of the impurities contained in the effluents to be treated and on the other hand their degradation.

Selon une forme de réalisation particulière du procédé de l'invention, le passage du milieu gazeux est réalisé en flux continu.According to a particular embodiment of the method of the invention, the passage of the gaseous medium is carried out in continuous flow.

L’irradiation lumineuse peut être effectuée avec au moins une source d’irradiation produisant au moins une longueur d’onde allant de 250 à 800 nm environ.The light irradiation can be carried out with at least one irradiation source producing at least one wavelength ranging from approximately 250 to 800 nm.

À l’issue du procédé de l’invention, les COVs sont convertis au moins en partie en dioxyde de carbone (CO2).At the end of the process of the invention, the VOCs are converted at least in part into carbon dioxide (CO 2 ).

Les composés organiques volatils sont tels que définis dans le quatrième objet de l’invention.Volatile organic compounds are as defined in the fourth object of the invention.

Le procédé peut être mis en œuvre dans un réacteur en lit fixe.The process can be implemented in a fixed bed reactor.

Ledit matériau est préférentiellement fixé au sein du réacteur, et le milieu gazeux contenant un ou plusieurs composés organiques volatils est envoyé à travers le matériau photocatalytique.Said material is preferably fixed within the reactor, and the gaseous medium containing one or more volatile organic compounds is sent through the photocatalytic material.

Lors du procédé, le milieu gazeux peut être choisi parmi N2, O2, ou l’air.During the process, the gaseous medium can be chosen from N 2 , O 2 , or air.

Le procédé est généralement mis en œuvre à une température allant de 20 à 60°C environ, et préférentiellement de 25 à 40°C environ.The process is generally implemented at a temperature ranging from 20 to 60° C. approximately, and preferably from 25 to 40° C. approximately.

Le procédé est généralement mis en œuvre à une pression allant de 0,05 à 1,5 MPa environ, et préférentiellement de 0,1 à 0,2 MPa environ.The process is generally implemented at a pressure ranging from 0.05 to 1.5 MPa approximately, and preferably from 0.1 to 0.2 MPa approximately.

La présente invention est illustrée par les exemples de réalisation suivants, auxquels elle n'est cependant pas limitée.The present invention is illustrated by the following exemplary embodiments, to which it is however not limited.

L’invention est illustrée par les figures 1 à 5 et les exemples qui suivent.The invention is illustrated by Figures 1 to 5 and the examples which follow.

La représente des images de monolithes obtenus selon le procédé de l’invention avec de gauche à droite : Monolithe SiO2-0,3TiO2; Monolithe SiO2-0,8TiO2 ; et Monolithe SiO2-1,2TiO2(figure a) ; et des images de microscopie électronique à balayage (MEB) montrant la macroporosité interconnectée pour le Monolithe SiO2-0,3TiO2(figures b et c) ; le Monolithe SiO2-0,8TiO2(figures d et e) ; et le Monolithe SiO2-1,2TiO2(figures f et g).There represents images of monoliths obtained according to the process of the invention with from left to right: Monolith SiO2-0.3TiO2; SiO Monolith2-0.8TiO2 ; and SiO Monolith2-1.2TiO2(figure a); and scanning electron microscopy (SEM) images showing interconnected macroporosity for the SiO Monolith2-0.3TiO2(figures b and c); the SiO Monolith2-0.8TiO2(figures d and e); and the SiO Monolith2-1.2TiO2(figures f and g).

La représente l'intrusion différentielle (exprimée en ml/g) est fonction de la distribution de la taille des fenêtres de jonctions inter-pores (exprimé en µm) pour les monolithes : Monolithe SiO2-0,3TiO2; Monolithe SiO2-0,8TiO2; et Monolithe SiO2-1,2TiO2.There represents the differential intrusion (expressed in ml/g) is a function of the distribution of the size of the inter-pore junction windows (expressed in μm) for the monoliths: Monolith SiO 2 -0.3TiO 2 ; SiO 2 -0.8TiO 2 monolith; and SiO 2 -1.2TiO 2 Monolith.

La représente des isothermes de sorption-désorption d’azote (N2) en fonction de la pression relative P/P0pour les monolithes de l’invention : Monolithe SiO2-0,3TiO2; Monolithe SiO2-0,8TiO2; et Monolithe SiO2-1,2TiO2, et à titre comparatif pour un monolithe non conforme à l’invention Si(HIPE).There represents nitrogen (N 2 ) sorption-desorption isotherms as a function of relative pressure P/P 0 for the monoliths of the invention: SiO 2 -0.3TiO 2 monolith; SiO 2 -0.8TiO 2 monolith; and Monolith SiO 2 -1.2TiO 2 , and for comparison for a monolith not in accordance with the invention Si(HIPE).

La représente les diagrammes obtenus par diffusion de RX aux grands angles sur divers matériaux : nanoparticules de TiO2(Degussa P25) utilisées dans le procédé de l’invention chauffées à 700°C (figure a) ; nanoparticules de TiO2(Degussa P25) utilisées dans le procédé de l’invention non traitées (figure b) ; Monolithe SiO2-0,3TiO2(figure c) ; Monolithe SiO2-0,8TiO2(figure d) ; et Monolithe SiO2-1,2TiO2(figure e).There represents the diagrams obtained by wide-angle X-ray scattering on various materials: nanoparticles of TiO 2 (Degussa P25) used in the process of the invention heated to 700° C. (figure a); untreated TiO 2 nanoparticles (Degussa P25) used in the process of the invention (figure b); SiO 2 -0.3TiO 2 monolith (figure c); SiO 2 -0.8TiO 2 monolith (figure d); and SiO 2 -1.2TiO 2 monolith (figure e).

La représente la concentration en acétone (ronds pleins) et en dioxyde de carbone (losanges vides) en fonction du temps lors des phases d'irradiation et d'obscurité.There represents the concentration of acetone (solid circles) and carbon dioxide (open diamonds) as a function of time during the irradiation and dark phases.

ExemplesExamples

Les matières premières utilisées dans les exemples sont listées ci-après :
- Dodécane, pureté ≥ 99%, Sigma-Aldrich,
- Acide chlorhydrique (HCl), 37% en masse, Sigma-Aldrich,
- Tétraéthylorthosilicate (TEOS), pureté ≥ 99%, Sigma-Aldrich,
- Nanoparticules de TiO2, Degussa P25, Sigma-Aldrich (85% en masse de TiO2sous forme anatase et 15% en masse de TiO2sous forme rutile, taille des nanoparticules 20 nm en moyenne),
- Bromure de tétradécyltriméthyl ammonium (TTAB), Alfa Aesar,
- Dichlorométhane, ACS-Réactif RPE, Carlo Erba,
- Eau déionisée, obtenue en utilisant un système de purification de l’eau de type Milli-Q.
The raw materials used in the examples are listed below:
- Dodecane, purity ≥ 99%, Sigma-Aldrich,
- Hydrochloric acid (HCl), 37% by mass, Sigma-Aldrich,
- Tetraethylorthosilicate (TEOS), purity ≥ 99%, Sigma-Aldrich,
- Nanoparticles of TiO 2 , Degussa P25, Sigma-Aldrich (85% by mass of TiO 2 in anatase form and 15% by mass of TiO 2 in rutile form, nanoparticle size 20 nm on average),
- Tetradecyltrimethyl ammonium bromide (TTAB), Alfa Aesar,
- Dichloromethane, ACS-Reagent RPE, Carlo Erba,
- Deionized water, obtained using a Milli-Q type water purification system.

Sauf indications contraires, tous les matériaux ont été utilisés tels que reçus des fabricants.Unless otherwise stated, all materials were used as received from manufacturers.

Claims (15)

Procédé de préparation d’un matériau sous la forme d’un monolithe poreux comprenant une matrice d’oxyde de silicium, et des nanoparticules de TiO2, ledit procédé comprenant :
i) une étape de préparation d’une phase aqueuse acide comprenant au moins un tensioactif cationique et des nanoparticules de TiO2,
ii) une étape d’ajout d’un précurseur de silice à la phase aqueuse acide de l’étape i),
iii) une étape d’ajout d’une phase huileuse à la phase aqueuse acide de l’étape ii) pour former une émulsion,
iv) une étape de polycondensation,
v) une étape d’élimination de la phase huileuse, et
vi) une étape de calcination.
Method for preparing a material in the form of a porous monolith comprising a matrix of silicon oxide, and nanoparticles of TiO 2 , said method comprising:
i) a step for preparing an acidic aqueous phase comprising at least one cationic surfactant and TiO 2 nanoparticles,
ii) a step of adding a silica precursor to the acidic aqueous phase of step i),
iii) a step of adding an oily phase to the acidic aqueous phase of step ii) to form an emulsion,
iv) a polycondensation step,
v) a step for removing the oily phase, and
vi) a calcining step.
Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les nanoparticules de TiO2présentent une taille allant de 5 à 40 nm.Process according to Claim 1, characterized in that the TiO 2 nanoparticles have a size ranging from 5 to 40 nm. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le dioxyde de titane (TiO2) des nanoparticules de l’étape i) comprend au moins 60 % en masse de dioxyde de titane sous forme anatase, par rapport à la masse totale de dioxyde de titane.Process according to Claim 1 or 2, characterized in that the titanium dioxide (TiO 2 ) of the nanoparticles of step i) comprises at least 60% by mass of titanium dioxide in anatase form, relative to the total mass of titanium dioxide. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les nanoparticules de TiO2représentent au moins 0,5 % en masse, par rapport à la masse totale de phase aqueuse acide de l’étape i).Process according to any one of the preceding claims, characterized in that the TiO 2 nanoparticles represent at least 0.5% by mass, relative to the total mass of acidic aqueous phase of step i). Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’étape i) est réalisée selon les sous-étapes suivantes :
i-1) une sous-étape de préparation d’une phase aqueuse comprenant de l’eau et le tensioactif cationique,
i-2) une sous-étape d’ajout des nanoparticules de TiO2dans la phase aqueuse, et
i-3) une sous-étape d’acidification de la phase aqueuse.
Method according to any one of the preceding claims, characterized in that step i) is carried out according to the following sub-steps:
i-1) a sub-step of preparing an aqueous phase comprising water and the cationic surfactant,
i-2) a sub-step of adding TiO 2 nanoparticles to the aqueous phase, and
i-3) a sub-step of acidification of the aqueous phase.
Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la phase huileuse comprend un ou plusieurs composés choisis parmi les alcanes linéaires et ramifiés ayant au moins 9 atomes de carbone et en ce que la phase huileuse représente de 50 à 80% en volume, par rapport au volume total de l'émulsion.Process according to any one of the preceding claims, characterized in that the oily phase comprises one or more compounds chosen from linear and branched alkanes having at least 9 carbon atoms and in that the oily phase represents from 50 to 80% by volume, relative to the total volume of the emulsion. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’étape vi) comprend :
- une première sous-étape vi-1) de calcination comprenant le chauffage d’une température initiale Tià une température Tc 1allant de 160 à 200 °C, avec une vitesse de chauffe allant de 0,5 à 3 °C/min, puis le maintien de la température Tc 1pendant 3 à 10 heures, et
- une seconde sous-étape vi-2) de calcination comprenant le chauffage de la température Tc1à une température Tc2allant de 600 à 800 °C, avec une vitesse de chauffe allant de 0,5 à 2 °C/min, puis le maintien de la température Tc2pendant 3 à 10 heures.
Method according to any one of the preceding claims, characterized in that step vi) comprises:
- a first calcination sub-step vi-1) comprising heating from an initial temperature T i to a temperature T c 1 ranging from 160 to 200°C, with a heating rate ranging from 0.5 to 3°C /min, then maintaining the temperature T c 1 for 3 to 10 hours, and
- a second calcination sub-step vi-2) comprising heating from temperature T c1 to temperature T c2 ranging from 600 to 800°C, with a heating rate ranging from 0.5 to 2°C/min, then maintaining the temperature T c2 for 3 to 10 hours.
Matériau sous la forme d’un monolithe poreux autosupporté, caractérisé en ce qu’il est obtenu selon un procédé tel que défini à l’une quelconque des revendications précédentes, en ce qu’il comprend une matrice d’oxyde de silicium, et des nanoparticules de TiO2, et en ce que :
- ledit matériau comprend des macropores, des mésopores, des micropores, et des parois formant un réseau poreux interconnecté, et
- les nanoparticules de TiO2sont réparties de manière statistique en surface des macropores, et en surface et dans le volume desdites parois.
Material in the form of a self-supporting porous monolith, characterized in that it is obtained according to a process as defined in any one of the preceding claims, in that it comprises a matrix of silicon oxide, and TiO 2 nanoparticles, and in that:
- said material comprises macropores, mesopores, micropores, and walls forming an interconnected porous network, and
- the TiO 2 nanoparticles are distributed in a statistical manner on the surface of the macropores, and on the surface and in the volume of said walls.
Matériau selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit matériau comprend de 5% à 30% en masse de TiO2, par rapport à la masse totale de matériau.Material according to Claim 8, characterized in that the said material comprises from 5% to 30% by mass of TiO 2 , relative to the total mass of material. Matériau selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce qu’il présente une surface spécifique allant de 500 à 1200 m2/g.Material according to Claim 8 or 9, characterized in that it has a specific surface ranging from 500 to 1200 m 2 /g. Matériau selon l’une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en ce qu’il présente une densité apparente d’au moins 0,06 g/cm3.Material according to any one of Claims 8 to 10, characterized in that it has an apparent density of at least 0.06 g/cm 3 . Matériau selon l’une quelconque des revendications 8 à 11, caractérisé en ce qu’il présente une porosité d’au moins 80%.Material according to any one of Claims 8 to 11, characterized in that it has a porosity of at least 80%. Utilisation d’un matériau tel que défini à l’une quelconque des revendications 8 à 12, en tant que photocatalyseur.Use of a material as defined in any one of Claims 8 to 12, as a photocatalyst. Utilisation d’un matériau tel que défini à l’une quelconque des revendications 8 à 12, dans le domaine de la photo-purification de l’air, de la purification d’atmosphères confinées, ou de la photo-réduction du CO2en carburants.Use of a material as defined in any one of claims 8 to 12, in the field of photo-purification of air, purification of confined atmospheres, or photo-reduction of CO 2 in fuels. Procédé de décontamination d'un milieu gazeux contenant un ou plusieurs composés organiques volatils, ledit procédé étant caractérisé en ce que la décontamination est réalisée par passage dudit milieu gazeux au travers d’un matériau tel que défini à l’une quelconque des revendications 8 à 12, sous irradiation lumineuse.Process for decontaminating a gaseous medium containing one or more volatile organic compounds, said process being characterized in that the decontamination is carried out by passing said gaseous medium through a material as defined in any one of Claims 8 to 12, under light irradiation.
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