Un coup de pouce pour les séparateurs d'eau biologiques
Les photocatalyseurs à nanoparticules peuvent produire de l'hydrogène à partir de l'eau plus efficacement que leurs homologues à semi-conducteurs inorganiques standard.
Les photocatalyseurs à base de semi-conducteurs organiques conçus par une équipe dirigée par KAUST pourraient faciliter la production d'hydrogène à partir de l'eau en utilisant la lumière du soleil.
Une équipe internationale dirigée par KAUST a mis au point un photocatalyseur à nanoparticules capable de générer de l'hydrogène à partir de l'eau plus efficacement que ses homologues inorganiques semi-conducteurs standard.
© 2022 KAUST; Ivan Gromicho
La lumière du soleil est la source d'énergie renouvelable la plus abondante, mais son incapacité à produire des niveaux d'énergie constants dans le temps signifie qu'elle ne peut pas répondre aux besoins énergétiques à la demande. Une option prometteuse consiste à stocker l'énergie solaire sous forme de carburant hydrogène propre, dérivé de l'eau par la réaction dite d'évolution de l'hydrogène en présence d'un catalyseur sensible à la lumière.
La plupart des photocatalyseurs d'évolution de l'hydrogène sont constitués de semi-conducteurs inorganiques, tels que le dioxyde de titane, qui absorbent presque exclusivement la lumière ultraviolette. Mais comme la lumière ultraviolette représente moins de cinq pour cent du spectre solaire, les photocatalyseurs qui en résultent ne sont pas assez efficaces pour une utilisation commerciale.
Une équipe internationale dirigée par Iain McCulloch et le post-doc Jan Kosco a pu mettre au point des photocatalyseurs à base de semi-conducteurs organiques parce qu'elle a pu régler les bandes interdites des semi-conducteurs - qui définissent la gamme de longueurs d'onde d'absorption - pour absorber la lumière visible.
"Toutes choses égales par ailleurs, plus un photocatalyseur absorbe de lumière, plus il peut convertir efficacement l'énergie solaire en hydrogène", explique Jan Kosco. "Il est donc important de développer des photocatalyseurs qui sont actifs sur une large gamme de longueurs d'onde ultraviolettes-visibles-infrarouges pour maximiser l'absorption de la lumière."
Lorsqu'ils sont exposés à la lumière, les photocatalyseurs à base de semi-conducteurs génèrent des paires d'électrons et de trous chargés positivement, ou excitons, qui se dissocient en charges libres qui peuvent ensuite migrer vers la surface du photocatalyseur et entraîner l'évolution de l'hydrogène. Cependant, les excitons sont étroitement liés dans les semi-conducteurs organiques à un seul composant, ce qui limite la séparation des charges et l'efficacité photocatalytique.
Les chercheurs ont combiné des matériaux semi-conducteurs donneurs et accepteurs d'électrons pour former des nanoparticules, appelées photocatalyseurs à hétérojonction, dont la configuration globale de la bande interdite favorise la dissociation des excitons à l'interface du semi-conducteur.
"C'est analogue à l'hétérojonction en vrac utilisée dans les cellules solaires organiques", explique Kosco. "Nous avons donc généré plus de charges dans ces nanoparticules que dans celles composées de semi-conducteurs individuels, ce qui a amélioré la production d'hydrogène."
De manière inattendue, l'hétérojonction a donné lieu à des charges photogénérées à durée de vie extrêmement longue dans les nanoparticules.
"Les charges se recombinent généralement à l'échelle de la microseconde, mais nous avons observé des charges dans nos nanoparticules même quelques secondes après la photoexcitation, ce qui est exceptionnellement long pour des charges photogénérées dans des semi-conducteurs organiques", explique M. Kosco. Cette durée est essentielle pour les performances du catalyseur, car elle donne plus de temps aux charges pour prendre part aux réactions redox relativement lentes à la surface des nanoparticules, ajoute-t-il.
L'équipe étudie maintenant les moyens d'appliquer les nouveaux photocatalyseurs aux schémas Z de séparation de l'eau, où les photocatalyseurs d'évolution de l'hydrogène et de l'oxygène sont couplés pour entraîner simultanément la production d'hydrogène et d'oxygène. Elle développe également des photocatalyseurs à semi-conducteurs organiques pour l'évolution de l'oxygène.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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