Le Soleil peut être un meilleur chimiste, grâce à des matrices de nanotiges d'oxyde de zinc cultivées sur un substrat de graphène et « décorées » avec des points de sulfure de cadmium. En présence de rayonnement solaire, cette combinaison de structures semi-conductrices à zéro et à une dimension avec du graphène à deux dimensions est un excellent catalyseur pour de nombreuses réactions chimiques. Le matériau photocatalytique innovant a été développé par un groupe de scientifiques de l'Institut de chimie physique de l'Académie polonaise des sciences de Varsovie et de l'Université de Fuzhou en Chine.

C'est une forêt étrange. Simple, des troncs uniformément répartis poussent à partir d'une surface plane, s'élevant de longs nanomètres vers le haut jusqu'à l'endroit où des couronnes de semi-conducteurs capturent avidement chaque rayon du soleil. C'est la vue au microscope du nouveau matériau photocatalytique, développé par des scientifiques de l'Institut de chimie physique de l'Académie polonaise des sciences (IPC PAS) à Varsovie, Pologne, et State Key Laboratory de Photocatalyse sur l'Energie et l'Environnement, Faculté de chimie de l'Université de Fuzhou, Chine. Le nouveau matériau 3D a été conçu pour que lors du traitement de l'énergie solaire, la meilleure collaboration soit obtenue entre les points de sulfure de cadmium (structures dites à zéro dimension), les nanobâtonnets d'oxyde de zinc (structures 1D), et le graphène (structures 2D).

Les méthodes de conversion de l'énergie lumineuse atteignant la Terre depuis le Soleil peuvent être divisées en deux groupes. Dans le groupe photovoltaïque, les photons sont utilisés pour la génération directe d'énergie électrique. L'approche photocatalytique est différente :ici rayonnement, visible et ultraviolet, est utilisé pour activer des composés chimiques et effectuer des réactions qui stockent l'énergie solaire. De cette manière, il est possible, par ex. réduire le CO2 en méthanol, synthétiser du carburant ou produire des intermédiaires organiques précieux pour l'industrie chimique ou pharmaceutique.

Le principe de fonctionnement du nouveau, photocatalyseur tridimensionnel, développé par le groupe de l'IPC PAS et de l'Université de Fuzhou, est simple. Lorsqu'un photon avec l'énergie appropriée tombe sur le semi-conducteur - oxyde de zinc ZnO ou sulfure de cadmium CdS - une paire électron-trou se forme. Dans des circonstances normales, il se recombinerait presque immédiatement et l'énergie solaire serait perdue. Cependant, dans le nouveau matériau, les électrons - libérés dans les deux semi-conducteurs à la suite de l'interaction avec les photons - descendent rapidement le long des nanotiges jusqu'à la base de graphène, qui est un excellent conducteur. La recombinaison ne peut pas se produire et les électrons peuvent être utilisés pour créer de nouvelles liaisons chimiques et ainsi synthétiser de nouveaux composés. La réaction chimique proprement dite a lieu à la surface du graphène, préalablement revêtus des composés organiques à traiter.

L'oxyde de zinc ne réagit qu'avec le rayonnement ultraviolet, dont il n'y a qu'un petit pourcentage dans la lumière du soleil. Par conséquent, des chercheurs de l'IPC PAS et de l'Université de Fuzhou ont également recouvert les forêts de nanotiges de sulfure de cadmium. Celui-ci réagit principalement avec la lumière visible, dont il y a env. 10 fois plus que l'ultraviolet - et c'est le principal fournisseur d'électrons pour les réactions chimiques.

"Notre matériau photocatalytique fonctionne avec un rendement élevé. Nous l'ajoutons généralement aux composés en cours de traitement dans un rapport d'environ 1:10. Après une exposition au rayonnement solaire en moins d'une demi-heure, nous traitons 80% et parfois même plus de 90 % des substrats, " souligne le professeur Yi-Jun Xu (FRSC) de l'Université de Fuzhou, où la majorité des expériences ont été réalisées par l'équipe de recherche dirigée par lui.

"Le grand avantage de notre photocatalyseur est la facilité de sa production, " note à son tour le professeur Juan Carlos Colmenares de l'IPC PAS. " Le graphène adapté aux applications en photochimie est désormais disponible sans plus de problèmes et n'est pas cher. À son tour, le procédé que nous avons inventé d'enrober le graphène de plantations de nanotiges d'oxyde de zinc, sur lequel on dépose ensuite du sulfure de cadmium, est rapide, efficace, se déroule à une température légèrement supérieure à la température ambiante, à pression normale, et ne nécessite aucun substrat sophistiqué."

Pour une application à plus grande échelle, il est important que le nouveau photocatalyseur soit consommé lentement. Les expériences réalisées à ce jour montrent que ce n'est qu'après la sixième-septième utilisation qu'une légère diminution d'environ 10 % du rendement de la réaction se produit.

Habilement utilisé, le nouveau photocatalyseur 3D peut modifier considérablement le cours des réactions chimiques. Son usage, par exemple. dans l'industrie pharmaceutique, pourrait réduire le nombre d'étapes de production de certains composés pharmacologiques d'une dizaine à quelques-uns seulement.