Avec une industrialisation mondiale en croissance continue atteignant 6,1% en 2021 et un fardeau démographique de 8 milliards de personnes, le monde d'aujourd'hui est confronté aux pénuries d'énergie les plus importantes et à la pollution environnementale la plus étendue de son histoire. Particulièrement, les effluents chargés de molécules toxiques organiques récalcitrantes provenant des raffineries, de l'industrie pétrochimique, pharmaceutique, des plastifiants et de nombreuses autres industries mettent en danger la durabilité des eaux de surface et des eaux souterraines. Avec l'inefficacité des techniques de traitement conventionnelles pour résoudre ce problème, les processus d'oxydation avancée (AOP) sont apparus comme une technologie efficace, prometteuse et peu coûteuse, capable de s'attaquer à différents types de molécules organiques dans les milieux aquatiques. Parmi ces techniques, la photocatalyse hétérogène est apparue comme l'une des méthodes les plus efficaces et économiques en raison de la réutilisabilité du photocatalyseur et de l'absence de besoins en matière d'élimination secondaire. La technique est basée sur la génération d'espèces d'oxygène hautement réactives (ROS) lors de l'exposition d'un matériau photocatalytique à la lumière, conduisant à une technologie verte et durable. Ces ROS sont bien connus pour leur forte capacité d'oxydation de la matière organique, conduisant à leur minéralisation en molécules d’eau et dioxyde de carbone. Pour cette raison, le développement d'un photocatalyseur efficace et respectueux de l'environnement est important. Dans ce contexte, l'oxyde de zinc (ZnO) a attiré une grande attention à cause son efficacité élevée de conversion de l'énergie photonique, de son faible coût de production, de son faible degré de toxicité pour la vie marine/humaine et de sa longue durée de vie. Cependant, l'un des principaux défis auxquels ce matériau est confronté est l'efficacité photocatalytique limitée en raison de la recombinaison des paires électron-trou. Par conséquent, de nouvelles stratégies ont été développées pour améliorer son activité photocatalytique, telles que la conception de nouvelles micro/nanostructures de ZnO ou le couplage des photocatalyseurs avec d'autres techniques de traitement pour produire des effets synergiques. L'objectif de cette thèse est de concevoir de nouveaux types de nanostructures de ZnO pour dégrader efficacement les contaminants toxiques en phase liquide ou gazeuse. Pour cette raison, l'impact de la structure chimique des polluants sur la cinétique de dégradation a d'abord été étudié sur diverses molécules organiques toxiques. Ensuite, le système photocatalytique a été adapté pour la photodégradation de particules de microplastiques d'une taille de 300 μm. Les effets de la morphologie et de la microstructure sur l'activité photocatalytique du ZnO ont été étudiés afin d'améliorer l'efficacité du système photocatalytique. Pour y parvenir, des nanobâtonnets, des couches minces poreuses et plissées ont été synthétisés en optimisant les techniques de sol-gel et de croissance hydrothermale en milieu liquide. Bien que les nouveaux matériaux aient montré une cinétique de dégradation améliorée, le taux de recombinaison rapide des paires electron-trou continuait néanmoins de freiner son activité photocatalytique. Pour surmonter cette limitation, une oxydation photo-Fenton-like a été couplée au photocatalyseur ZnO. Quand les deux processus fonctionnant simultanément, un effet synergique a été obtenu grâce à la diminution de la recombinaison électron-trou d'un côté, et la régénération du réactif Fenton de l'autre côté. De plus, une nouvelle matrice de ZnO macroporeuses a été conçue en couplant la chimie sol-gel avec l'auto-assemblage de copolymères en bloc. Le nouveau matériau a présenté des propriétés d'auto-nettoyage remarquables lorsqu'il a été appliqué sur des surfaces revêtues.