De nouvelles recettes pour une meilleure production de combustible solaire
Les chercheurs optimisent la production de carburants solaires en utilisant de nouvelles combinaisons de méthodes et de matériaux pour créer de nouveaux types de photocatalyseurs
Tout comme un excellent repas nécessite les bons ingrédients préparés de manière experte, la production de meilleurs carburants verts nécessite de combiner les bons matériaux et les bonnes méthodes.
Récemment, une équipe de chercheurs chinois et britanniques a trouvé de nouveaux moyens d'optimiser la recette pour la production de carburants solaires.
L'hydrogène est une source d'énergie sans émission qui peut être produite à partir de l'eau en utilisant l'énergie solaire et qui offre un grand potentiel pour aider à atténuer la crise climatique.
Le processus de production d'hydrogène à partir de l'eau est appelé "division de l'eau" car il décompose l'eau en ses deux éléments, l'hydrogène et l'oxygène. Le fractionnement de l'eau nécessite un photocatalyseur semi-conducteur, une substance ou un composé qui absorbe la lumière du soleil et utilise son énergie pour le processus de fractionnement.
Cependant, l'efficacité des photocatalyseurs à semi-conducteurs pour le fractionnement de l'eau varie.
En utilisant de nouvelles combinaisons de méthodes et de matériaux pour créer de nouveaux types de photocatalyseurs, les chercheurs ont amélioré l'efficacité de la production d'hydrogène.
Le Dr Graham Dawson, qui a dirigé les études à l'université Xi'an Jiaotong-Liverpool, explique : "En ajoutant des matériaux tels que l'or ou le nitrate de bore à nos photocatalyseurs à l'aide de méthodes de mélange particulières, nous pouvons augmenter la quantité de lumière absorbée.
"Plus la quantité de lumière absorbée est importante, plus il y a d'énergie appropriée pour la division de l'eau, ce qui augmente la production d'hydrogène", ajoute-t-il.
Trouver la recette parfaite
Selon Yanan Zhao, premier auteur de l'une des études récentes de l'équipe, la modification des matériaux couramment utilisés comme photocatalyseurs permet de surmonter leurs limites. L'un des matériaux les plus utilisés est le dioxyde de titane.
"Le dioxyde de titane peut capter l'énergie directement du soleil avec une pollution négligeable et présente un grand potentiel pour le développement de technologies liées à l'énergie solaire", explique-t-elle.
"Toutefois, il ne peut être activé que par la lumière UV, qui ne représente que 7 % de la lumière du soleil. Il ne peut pas absorber l'énergie de la lumière visible", explique Mme Zhao, qui a obtenu sa maîtrise en chimie à l'université XJTLU et a reçu une bourse complète pour poursuivre son doctorat à l'université du Dakota du Nord.
Les chercheurs ont découvert que l'ajout de nitrure de bore à une forme de dioxyde de titane produisait un photocatalyseur capable d'absorber l'énergie de plus de longueurs d'onde que la lumière UV. Le nitrure de bore, un composé de bore et d'azote, possède une bonne conductivité électrique et peut résister à des températures allant jusqu'à 2000 degrés Celsius.
Zhao explique le processus : "Pour préparer le matériau photocatalytique composite, nous avons combiné le nitrure de bore avec des nanotubes de titanate, qui sont des structures tubulaires dont les dimensions sont mesurées en nanomètres (un nanomètre correspond à un milliardième de mètre).
"En optimisant le rapport entre le nitrure de bore et les nanotubes de titanate et en utilisant des processus chimiques pour combiner les composés, nous avons produit un photocatalyseur composite très stable. Il peut absorber la lumière d'une gamme plus large de longueurs d'onde et produire plus d'hydrogène que les méthodes traditionnelles de mélange physique."
Une ruée vers l'or
Dans une deuxième étude, l'équipe du Dr Dawson a trouvé une option supplémentaire pour améliorer l'efficacité photocatalytique dans la séparation de l'eau.
Ils ont constaté que le fait de recouvrir les surfaces de certains types de structures photocatalytiques avec des nanoparticules d'or d'une taille spécifique augmentait la quantité de lumière qu'elles pouvaient absorber.
Shiqi Zhao, premier auteur de cette étude, explique : "La structure du matériau photocatalytique utilisé est très importante. Dans cette étude, nous avons utilisé deux formes de nanostructures photocatalytiques : les nanosheets et les nanotubes.
"Nous les avons recouvertes de particules d'or de tailles différentes pour voir quelle combinaison produisait la plus grande quantité d'hydrogène à partir de l'eau.
"Nos résultats ont montré que les nanofeuilles modifiées par de petites particules d'or uniformes présentaient les meilleures performances photocatalytiques parmi les matériaux testés. Ces nanostructures recouvertes d'or ont produit environ 36 fois plus d'hydrogène photocatalytique que les nanotubes non modifiés", poursuit-il.
"Cela permet de mieux comprendre comment les matériaux photocatalytiques semi-conducteurs peuvent être modifiés par des nanoparticules d'or et a des applications précieuses dans les domaines de la production d'hydrogène photocatalytique, des cellules solaires et des capteurs optiques".
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.
Publication originale
Enhanced photocatalytic hydrogen production by the formation of TiNT-BN bonds; Applied Surface Science; Volume 623, 30 June 2023, 157005.
Enhanced photocatalytic activity through anchoring and size effects of Au nanoparticles on niobate nanotubes and nanosheets for water splitting; Optical Materials; Volume 139, May 2023, 113753.
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