Search

Three different ways to dope nitrogen into TiO2 by means of RF reactive sputtering was compared, and the structural, optical, and photo-active performance of these materials were explored. First, multi-layered thin films of TiO2 and TiN were prepared by sputtering a titanium target and alternating oxygen and nitrogen reactive gases in the deposition chamber. The total thickness of each multi stack was kept constant while the overall composition of the films (TiN to TiO2 ratio) was varied between 5% and 30% and the number of TiN/TiO2 bi-layers was increased from 9 to 45. Secondly, we prepared N-TiO2 by introducing oxygen and nitrogen reactive gases simultaneously during the depositions. The ratio of oxygen to nitrogen was systematically changed in order to control the concentration of nitrogen incorporation into the films between 0% and 6%. Finally, we prepared TiN thin films and oxidized them at different temperatures and for several time intervals. X-ray photoelectron spectroscopy showed that nitrogen was successfully doped into all of the TiO2 films in substitutional and/or interstitial sites depending on the deposition conditions. The variance in the concentration and position of the nitrogen doping had a significant effect on the optical, structural and photoactive properties of the three types of N-TiO2 films. The parameters of sputtering deposition were optimized using both plasma diagnostics and Design of Experiments. This study has shown the desirable ability to control several important physical and chemical characteristics of N-TiO2 films, with considerable promise for many applications, Nous avons comparé trois méthodes différentes de dopage de TiO2 à l'azote par pulvérisation cathodique, et avons exploré les propriétés structurelles, optiques et la photo-activité de ces matériaux. Tout d'abord, des films minces successifs de TiO2 et TiN ont été créés par pulvérisation d'une cible de titane et en alternant les gaz réactifs d'oxygène et d'azote dans l'enceinte de dépôt. L'épaisseur totale de chaque multicouche a été maintenue constante tandis que nous avons fait varier la composition globale des films (rapport TiN/TiO2) entre 5% et 30% et le nombre de des couches TiN/TiO2 entre 9 à 45. Deuxièmement, nous avons préparé des couches homogènes de N-TiO2 par l'introduction simultanée des gaz réactifs d'oxygène et d'azote au cours du dépôt. Nous avons systématiquement fait varier le rapport azote/oxygène afin de modifier d'une façon contrôlée la concentration de l'azote incorporé dans les films de 0% et 6%. Enfin, nous avons préparé des couches minces de TiN et les ont fait subir l'oxydation à des températures différentes pendant plusieurs intervalles de temps. Les mesures d'XPS ont montré que l'azote a été dopé avec succès, dans tous les films de TiO2, dans les sites substitutionnels et/ou interstitiels en fonction des conditions de dépôt. La variance de la concentration et la position du dopage à l'azote avait une influence significative sur les propriétés optiques, structurelles et photo-actives des trois types des films de TiO2 dopés. Les paramètres de dépôt par pulvérisation ont été optimisés grâce à des diagnostics du plasma et à un Plan d'Expériences. Cette étude a montré que nous pouvons modifier d'une façon contrôlée et à souhait plusieurs caractéristiques physiques et chimiques importantes des couches de N-TiO2, qui pourront avoir un grand potentiel pour de nombreuses applications

VOCs are a source of discomfort for occupants and can have harmful effects on health. Photocatalysis is a promising process to remove these compounds. ArcelorMittal Liège Research has indeed developed TiOB2 Bthin film coated on steel which can be easily integrated into purification air systems. Objectives of this research are firstly, identifying parameters which influence the photocatalytic degradation of these VOCs using of such catalyst. Secondly, validate the possibility to predict performances of the photocatalytic reactor by combining fluid flow and photocatalytic reaction. An experimental set-up including an annular reactor has been designed and realized in order to conduct kinetic studies. Acetaldehyde has been chosen as a pollutant model and studied mainly with concentrations of few ppm ranges. Its conversion yield depends on pollutant concentration, relative humidity, temperature, UV light intensity and presence of others VOCs. Based on a theoretical surface model of the photocatalytic reaction, and using experimental data, this reaction is modelled. In order to predict performances of the photocatalytic reactor packed thin film of TiOB2B, a methodology which consists to combine fluid flow and photocatalytic reaction has been developed and validated. Space-time distribution of pollutant concentration is then determined with a computational fluid dynamics approach. Comparison between experimental data and numerical simulations obtained with a photocatalytic reactor at the laboratory scale and another one in semi-pilot scale are well satisfactory, Les COV présents en air intérieur sont une source d'inconfort pour les occupants et peuvent être nocifs pour la santé. La photocatalyse apparaît comme un procédé prometteur pour l'abattement de ces polluants. ArcelorMittal Liège Research développe à cet effet des films minces de TiOB2B déposé sur acier qui peuvent être intégrés dans des systèmes de purification d'air. Les objectifs de cette recherche sont, d'une part, identifier les paramètres influençant la dégradation photocatalytique de ces COV avec ce type de catalyseur et d'autre part, valider la possibilité de prédire les performances d'un réacteur photocatalytique par un modèle couplant l'écoulement et la réaction photocatalytique. Pour réaliser l'étude cinétique à des teneurs de quelques ppm, un dispositif expérimental adapté a été conçu ; il utilise un réacteur annulaire continu. L'acétaldéhyde a été choisi comme polluant modèle. La conversion dépend de la concentration en polluant, du taux d'humidité, de la température, de l'intensité lumineuse en UV et de la présence d'autres COV. La réaction est modélisée avec un modèle théorique surfacique de la réaction photocatalytique. Afin de prédire les performances d'un réacteur photocatalytique utilisant des films minces de TiOB2B, une méthodologie consistant à coupler l'écoulement et la réaction photocatalytique a été développée et validée. La distribution spatio-temporelle de la concentration en polluant est alors déterminée par une approche de mécanique des fluides numériques. La comparaison des résultats expérimentaux et des simulations obtenus avec un réacteur photocatalytique de laboratoire et un autre à l'échelle semi-pilote est très satisfaisante