Semi-conducteur
I-Théories des semi-conducteurs
Les semi-conducteurs sont décrits par la théorie des bandes.
Cette dernière définit deux bandes nommées bande de conduction et bande de valence, séparées par un gap ou bande interdite que l'on nommera ΔΕ.
Par l'apport d'une quantité suffisante d'énergie à un électron se trouvant dans la bande de valence, il peut passer dans la bande de conduction avec une probabilité :
P = exp (–ΔE / kT)
ΔE : l’écart en énergie séparant les deux bandes (J).
T : la température absolue (K).
k = 1,38.10–23 J.K-1 est la constante de Boltzmann.
Le nombre d'états occupés dans l’intervalle [E, E + dE] est : dn = f(E).g(E).dE
où g(E) est la densité d'états disponibles et f(E) est la fonction de Fermi-Dirac qui régit la probabilité
d'occupation des niveaux :
Dans un semi-conducteur, on a des liaisons électron/trous.
Le TiO2 possède sa bande de conduction juste au-dessous de celle du colorant ce qui permet d'éviter que l'électron présent dans le colorant ne se recombine instantanément.
Le TiO2 est un semi-conducteur intrinsèque dopé p : il présente une conduction par les trous.
II-La photo-catalyse
La photocatalyse est une catalyse hétérogène dont la source d’énergie est la lumière.
Le photo-catalyseur doit répondre à différents critères tels que:
- Absorber la lumière (semi-conducteur).
- Adsorber les molécules à sa surface (une grande surface permet un meilleur rendement).
- Etre stable à la présence d’oxygène.
- Permettre la séparation des charges photo générées (électrons/trous).
C’est le cas du TiO2. En effet, il est stable, abondant et son prix est plus abordable que celui des autres semi-conducteurs.
Le processus photocatalytique repose sur l’excitation du TiO2 par un rayonnement lumineux de longueur d’onde inférieure à 387 nm,
ce qui correspond à une énergie supérieure ou égale à la largeur de la bande interdite (3,2 eV) :
TiO2 + hν → h+ + e-
On a la création d'une paire électron-trou.
Un électron (e-) de la bande de valence est promu à la bande de conduction avec formation d’un trou (h+).
Ces paires e-/h+ peuvent être drainées vers la surface du matériau.
Le trou qui a été créé va être réutilisé pour la réaction suivante :
H20 + 2 h+ → ½ O2 + 2 H+
Puisque l'électron va réagir avec le H+ alors on aura:
2 H+ + 2 e- → H2
Les espèces qui ont été initialement adsorbées vont subir des réactions d'oxydoréduction.