Selon l'Organisation mondiale de la Santé, 99 % de la population mondiale respire de l'air qui dépasse les limites de référence sûres, les zones urbaines connaissant les plus fortes concentrations de polluants comme les oxydes d'azote (NOx), les particules fines (PM2,5) et les composés organiques volatils (COV). En réponse, les villes du monde entier explorent des solutions novatrices qui vont au-delà des contrôles traditionnels de filtration et d'émission. L'une des technologies émergentes les plus prometteuses est le traitement chimique photocatalytique, une méthode qui utilise des catalyseurs à lumière pour décomposer les contaminants atmosphériques en substances inoffensives.

Quels sont les procédés chimiques photocatalytiques?

La photocatalyse est une réaction chimique qui survient lorsqu'un matériau semi-conducteur absorbe des photons de la lumière, habituellement dans le spectre ultraviolet (UV) ou visible, et accélère la dégradation des polluants. Le photocatalyseur le plus courant utilisé dans les systèmes de purification de l'air est le dioxyde de titane (TiO2), un matériau non toxique, chimiquement stable et largement disponible. Lorsque la lumière UV frappe la surface du TiO2, les électrons sont excités de la bande de valence à la bande de conduction, créant des paires de trous d'électrons. Ces porteurs de charge migrent vers la surface du catalyseur et réagissent avec l'eau adsorbée et les molécules d'oxygène pour produire des espèces hautement réactives telles que les radicaux hydroxyles (•OH) et les anions superoxydes (O2]]•−]. Ces radicaux attaquent alors les molécules de polluants adsorbées à la surface, les

Mécanisme d'action

Plus en détail, la réaction photocatalytique se produit par plusieurs étapes:

  1. absorption de la lumière:[ Le catalyseur absorbe des photons d'une énergie égale ou supérieure à son écart de bande (3,2 eV pour l'anatase TiO2, correspondant à la lumière UV inférieure à 387 nm).
  2. Série de charge: Le photon absorbé génère un électron mobile dans la bande de conduction et un trou positif dans la bande de valence.
  3. Réaction de surface:[ Les électrons réduisent l'oxygène moléculaire en radicaux superoxydes; les trous oxydent l'eau ou les ions hydroxydes en radicaux hydroxyles.
  4. Dégradation des polluants:[ Les radicaux réagissent avec le NO[x, les COV et d'autres polluants organiques, les brisant en molécules plus petites et moins nocives.
  5. Désorption:[ Produits finaux (CO2[, H2O, nitrates) déssorbant la surface du catalyseur, libérant les sites actifs pour d'autres réactions.

Types de photocatalyseurs

Bien que TiO2 demeure la référence, d'autres matériaux ont été développés pour étendre l'absorption de la lumière dans le spectre visible ou pour améliorer l'efficacité de la dégradation. L'oxyde de zinc (ZnO) est un autre photocatalyseur bien étudié, bien qu'il puisse souffrir de photocorrosion. Les matériaux modifiés TiO[2 dopés d'azote, de carbone ou de métaux tels que le fer ou l'argent peuvent absorber la lumière visible, rendant le processus viable même dans des conditions ambiantes d'éclairage intérieur ou de nuages.

Comment les processus photocatalytiques fonctionnent dans les milieux urbains

Dans les villes, la technologie photocatalytique est déployée par deux approches principales : les systèmes actifs (tels que les purificateurs d'air intégrés) et les systèmes passifs (tels que les revêtements de surface sur les bâtiments, les routes et les meubles de rue).Les systèmes passifs sont particulièrement attrayants parce qu'ils ne nécessitent pas d'énergie après l'installation – la lumière du jour active automatiquement le catalyseur.

Applications sur les façades de construction

Plusieurs bâtiments phares intègrent maintenant des matériaux photocatalytiques. Par exemple, le Palazzo Italia à Milan, construit pour Expo 2023, utilise un ciment photocatalytique qui décompose NOx et d'autres polluants du trafic. Le ciment contient TiO[2 qui, sous le soleil, crée un effet « purificateur de l'air » autour de la structure. Des études ont montré que de tels revêtements peuvent réduire les concentrations locales de NO[x jusqu'à 40% dans des conditions favorables, bien que les performances du monde réel varient selon les conditions météorologiques et l'orientation.

Surfaces de routes photocatalytiques

Aux Pays-Bas, des tronçons d'autoroute près de Hengelo ont été traités avec une couche supérieure en béton contenant du TiO[2, conçue pour dégrader le NO[x. Les essais sur le terrain ont indiqué une réduction des niveaux de NO[x[ d'environ 25 à 30 % par temps calme, bien que l'efficacité ait diminué sous une humidité élevée ou une faible luminosité.

Purification de l'air dans les espaces intérieurs et semi-extérieurs

Ces appareils contiennent une lampe UV dirigée contre un tissu ou un nid d'abeilles recouvert de tissu ou de tissu de TiO2. L'air étant forcé par l'unité, les polluants s'adsorbent sur le revêtement et sont oxydés. Cette technologie est particulièrement utile pour éliminer les COV, les bactéries et les spores de moisissure dans les environnements intérieurs tels que les bureaux, les hôpitaux et les maisons.

Avantages de la purification photocatalytique de l'air

  • Fonctionnement continu et économe en énergie:[ Les systèmes passifs utilisent uniquement la lumière naturelle comme source d'énergie, sans électricité nécessaire pour la réaction catalytique.
  • Élimination des polluants à large spectre:[ La photocatalyse peut dégrader une large gamme de polluants organiques et inorganiques, y compris le NO[x, le SO2, les COV, le monoxyde de carbone et même certains pathogènes.
  • Aucun produit chimique consomptible:[ Contrairement aux épurateurs ou filtres chimiques qui nécessitent un remplacement ou une régénération périodique, les surfaces photocatalytiques se régénèrent continuellement.Le catalyseur lui-même n'est pas consommé; il agit comme promoteur, donc seulement un nettoyage périodique pour enlever la poussière est nécessaire.
  • Intégration avec les infrastructures urbaines existantes:[ Les revêtements peuvent être appliqués aux matériaux existants – béton, verre, métal, carreaux ou asphalte – pendant la construction ou la rénovation.
  • Propriétés auto-nettoyantes: Les radicaux oxydatifs décomposent également le grime organique sur les surfaces, réduisant ainsi le besoin de laver et de garder les bâtiments propres plus longtemps.
  • Potentiel de réduire la formation d'aérosols organiques secondaires:[ En cas de décomposition des COV avant qu'ils ne subissent des réactions atmosphériques, la photocatalyse peut aider à limiter la formation d'ozone troposphérique et d'aérosols organiques secondaires, qui sont des composants importants du smog.

Défis et considérations

Malgré sa promesse, la purification photocatalytique de l'air fait face à plusieurs obstacles pratiques qui doivent être abordés pour une adoption généralisée.

  • Délépendance sur la disponibilité de la lumière:[ L'efficacité de TiO[2 chute de façon spectaculaire dans de faibles conditions UV, comme dans les canyons urbains denses, pendant les jours de couvert ou pendant la nuit. Le dopage pour étendre l'absorption dans le spectre visible est un domaine de recherche actif, mais ajoute coûts et complexité.
  • La formation potentielle de sous-produits nocifs: L'oxydation incomplète peut produire des intermédiaires plus toxiques que les polluants d'origine.Par exemple, la dégradation photocatalytique du benzène peut produire du phénol ou d'autres composés aromatiques qui persistent.
  • désactivation du catalyseur:[ Au fil du temps, la surface du TiO[2 peut être couverte par des intermédiaires de réaction, des poussières ou des dépôts inorganiques (tels que les sulfates de SO2 oxydation).
  • Écalorité et coût:[ Bien que TiO[2 soit peu coûteux, l'application de revêtements durables de haute qualité sur de grandes surfaces (kilomètres de routes, millions de mètres carrés de façade du bâtiment) est coûteuse. Le coût des matériaux, de l'application et de l'entretien doit être évalué par rapport aux avantages de la qualité de l'air, qui sont souvent difficiles à quantifier précisément.
  • Réactivité avec NOx et formation de nitrates:[ Lorsque le NO[x est oxydé, le produit est des ions nitrates (NO[3[], qui peuvent laver les surfaces dans les eaux pluviales. Bien que les nitrates soient moins nocifs que le NO]x, ils peuvent contribuer à l'eutrophisation dans les voies navigables si elles ne sont pas gérées correctement.
  • Nécessité pour le rayonnement UV dans les espaces intérieurs:[ La plupart des systèmes TiO[2 nécessitent des sources lumineuses UV (habituellement 365–385 nm LED).La consommation électrique de ces lampes UV, quoique modeste, réduit l'avantage énergétique global.

Mise en œuvre et études de cas dans le monde réel

Plusieurs villes et institutions ont mis à l'essai une technologie photocatalytique. Un exemple bien documenté est le projet -Concrete de nettoyage de l'air à Hengelo, Pays-Bas, où un tronçon de 2,5 km de route a été pavé de blocs de béton photocatalytique. La surveillance sur deux ans a montré une réduction de 30 % des niveaux de NOx près de la surface du pavement, bien que l'effet ait diminué avec la distance de la route et sous une humidité élevée.

En Chine, la ville de Shanghai a testé des revêtements photocatalytiques sur les murs de construction et les barrières sonores le long d'autoroutes élevées. Résultats préliminaires de 2018–2020 ont rapporté une réduction moyenne de 20 % des niveaux locaux de NO[2, avec de meilleures performances en été lorsque l'intensité UV est plus élevée. Aux États-Unis, le projet ALBA (Advanced Living Breakthrough for Air)[ à Los Angeles expérimente des revêtements photocatalytiques appliqués aux panneaux de rue et aux abris d'autobus pour mesurer l'efficacité de l'élimination des polluants.

Sur le plan intérieur, les hôpitaux et les écoles du Japon et de la Corée du Sud ont adopté des systèmes de filtration photocatalytique de l'air pour réduire les infections et les COV dans l'air. Tokyo Metropolitan Institute of Public Health a signalé que les filtres photocatalytiques dans les salles d'attente des hôpitaux ont réduit les nombres de bactéries et de champignons jusqu'à 99 % après 24 heures de fonctionnement continu.

Pour plus de détails, l'American Chemical Society a publié un rapport détaillé sur la purification de l'air photocatalytique ( Environmental Science & Technology, 2021), et le Centre commun de recherche de la Commission européenne a publié un rapport technique sur la réduction du NOx pour les applications urbaines (JRC Technical Report, 2022. Une étude de cas du Palazzo Italia est disponible sur ArchDaily], et l'EPA des États-Unis fournit des informations de base sur les polluants urbains communs tels que les COV et le NOx []EPA Information sur les COV[.

Orientations futures et frontières de la recherche

L'avenir de la purification photocatalytique de l'air dans les zones urbaines repose sur la suppression des limites des matériaux actuels et l'intégration de la technologie dans des systèmes urbains plus intelligents.

Photocatalyseurs à lumière visible et actif

Les chercheurs ont développé des matériaux tels que le TiO2, qui peuvent utiliser environ 10% du spectre solaire au lieu de seulement 4% dans la gamme UV. D'autres catalyseurs exotiques comme l'oxychlorure de bismuth (BioCl) et les points quantiques de carbone sont également explorés pour une efficacité quantique plus élevée. Si ces matériaux deviennent rentables, des revêtements photocatalytiques passifs fonctionneraient efficacement sous l'éclairage intérieur et le ciel nuageux, augmentant de façon spectaculaire leur applicabilité.

Nanostructuration et génie de surface

Les nanotubes, nanofils et films minces mésoporeux fournissent plus de sites de réaction par unité de surface. Par exemple, les nanotubes TiO2 cultivés sur un film en titane présentent des densités de photocourants significativement plus élevées que les films conventionnels, et des améliorations similaires sont attendues pour la purification de l'air.

Intégration avec l'infrastructure de la ville intelligente

Les capteurs connectés peuvent surveiller la qualité de l'air en temps réel et ajuster l'éclairage des surfaces photocatalysées (p. ex. moduler les LED UV dans les panneaux actifs) pour optimiser les performances tout en économisant l'énergie. Les surfaces de route avec des photocatalyseurs intégrés pourraient être combinées avec des systèmes de drainage qui capturent le lavage du nitrate et le traitent avant qu'il n'atteigne les plans d'eau.

Approches hybrides

Par exemple, le prétraitement photocatalytique de l'air entrant dans les bâtiments peut réduire le fardeau des filtres HEPA et des lits de charbon actif, allongeant ainsi leur durée de vie. Dans les environnements extérieurs, les revêtements photocatalytiques peuvent être jumelés à des infrastructures vertes (comme les murs verts ou les arbres) qui absorbent également les polluants.

Évaluation du cycle de vie et soutien aux politiques

Pour que les villes et les promoteurs investissent avec confiance dans les infrastructures de photocatalyse, il faut des évaluations complètes du cycle de vie qui tiennent compte de la production d'énergie, de l'extraction des matières premières, de l'installation, de l'entretien et de l'élimination en fin de vie.Les décideurs politiques peuvent encourager l'adoption par le biais de codes de construction écologiques, de mesures incitatives visant les zones à faible émission et de partenariats public-privé.

Conclusion

Les processus chimiques photocatalytiques offrent une approche puissante et durable pour améliorer la qualité de l'air dans les zones urbaines en utilisant la lumière solaire pour décomposer les polluants nocifs. Des bâtiments autonettoyants aux routes de smog, la technologie a déjà démontré des avantages mesurables dans les essais réels. Cependant, les défis liés à la disponibilité de la lumière, à la désactivation du catalyseur, à la gestion des sous-produits et aux coûts doivent être abordés avant que les surfaces photocatalytiques ne deviennent une caractéristique standard de l'infrastructure municipale.