Convertir les fluctuations de température en énergie propre grâce à de nouvelles nanoparticules et à une nouvelle stratégie de chauffage
La catalyse pyroélectrique (pyro-catalyse) peut convertir les fluctuations de température de l'environnement en énergie chimique propre, comme l'hydrogène. Cependant, par rapport à la stratégie de catalyse plus courante, comme la photocatalyse, la pyro-catalyse est inefficace en raison de la lenteur des changements de température dans le milieu ambiant. Récemment, une équipe codirigée par des chercheurs de la City University of Hong Kong (CityU) a déclenché une réaction pyro-catalytique nettement plus rapide et plus efficace en utilisant des sources de chaleur plasmoniques localisées pour chauffer rapidement et efficacement le matériau pyro-catalytique et le laisser refroidir. Ces résultats ouvrent de nouvelles voies vers une catalyse efficace pour des applications biologiques, le traitement des polluants et la production d'énergie propre.
Illustration des applications potentielles de la combinaison des matériaux pyroélectriques et de l'effet thermo-plasmonique localisé des nanomatériaux de métaux nobles.
Dr Lei Dangyuan’s group / City University of Hong Kong
La pyro-catalyse fait référence à la catalyse déclenchée par les charges de surface des matériaux pyroélectriques induites par les fluctuations de température. Il s'agit d'une technique de catalyse verte, auto-alimentée, qui récupère l'énergie thermique résiduelle dans l'environnement. Elle a attiré une attention croissante dans la production d'énergie propre et la génération d'espèces réactives de l'oxygène, qui peuvent être utilisées pour la désinfection et le traitement des colorants.
Cependant, la plupart des matériaux pyroélectriques actuellement disponibles ne sont pas efficaces si la température ambiante ne change pas beaucoup au fil du temps. Comme le taux de changement de la température ambiante est souvent limité, une façon plus viable d'augmenter l'efficacité pyro-catalytique est d'augmenter le nombre de cycles de température. Mais c'est un grand défi de réaliser des cycles thermiques multiples dans le pyro-catalyseur dans un intervalle de temps court en utilisant des méthodes de chauffage conventionnelles.
Le défi des cycles thermiques multiples
Une équipe de recherche codirigée par le Dr Lei Dangyuan, professeur associé au département de science et d'ingénierie des matériaux (MSE) de la CityU, a récemment surmonté cet obstacle en utilisant une nouvelle stratégie consistant à combiner des matériaux pyroélectriques et l'effet thermo-plasmonique localisé de nanomatériaux de métaux nobles.
Les nanostructures plasmoniques, qui favorisent l'oscillation collective des électrons libres, peuvent absorber la lumière et la convertir rapidement en chaleur. Leur taille nanométrique permet des changements de température rapides mais efficaces dans un volume confiné, sans perte de chaleur significative dans le milieu environnant. Par conséquent, la chaleur localisée générée par les nanostructures thermo-plasmoniques peut être facilement réglée avec précision et activée ou désactivée par une irradiation lumineuse externe dans un intervalle de temps ultra-court.
Dans leurs expériences, l'équipe a choisi un matériau pyro-catalytique typique, appelé nanoparticules de titanate de baryum (BaTiO3). Les nanoparticules de BaTiO3 en forme de corail sont décorées de nanoparticules d'or comme sources de chaleur plasmoniques ; les nanoparticules d'or peuvent convertir directement les photons d'un laser pulsé en chaleur. Les résultats de l'expérience ont démontré que les nanoparticules d'or agissent comme une source de chaleur localisée rapide, dynamique et contrôlable sans augmenter la température environnante, ce qui augmente de manière significative et efficace le taux de réaction pyro-catalytique global des nanoparticules de BaTiO3.
Des nanoparticules d'or comme source de chaleur localisée
Grâce à cette stratégie, l'équipe a obtenu un taux élevé de production pyro-catalytique d'hydrogène, accélérant ainsi le développement d'applications pratiques de la pyro-catalyse. Les nanoréacteurs pyroélectriques plasmoniques ont démontré un taux de production d'hydrogène pyro-catalytique accéléré d'environ 133,1±4,4µmol-g-1-h-1 par chauffage et refroidissement thermo-plasmonique local sous irradiation d'un laser nanoseconde à la longueur d'onde de 532nm.
En outre, le taux de répétition du laser nanoseconde utilisé dans l'expérience était de 10Hz, ce qui signifie que 10 impulsions de lumière ont été irradiées sur le catalyseur par seconde pour réaliser 10 cycles de chauffage et de refroidissement. Cela implique qu'en augmentant la fréquence de répétition des impulsions laser, les performances de la catalyse pyroélectrique pourraient être améliorées à l'avenir.
L'équipe de recherche estime que les résultats de leurs expériences ont ouvert une nouvelle approche pour améliorer la pyro-catalyse en concevant un système composite pyroélectrique innovant avec d'autres matériaux photothermiques. Ce progrès substantiel rendra plus réalisable l'application future de la pyro-catalyse dans le traitement des polluants et la production d'énergie propre.
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