Synthèse de cristaux de SrTiOmeso par croissance épitaxiale topotactique. Crédit :Université de Kobe
L'hydrogène est une source d'énergie alternative qui peut être produite à partir de sources renouvelables de lumière solaire et d'eau. Un groupe de chercheurs japonais a mis au point un photocatalyseur qui décuple la production d'hydrogène.
La découverte a été faite par une équipe de recherche conjointe dirigée par le professeur agrégé TACHIKAWA Takashi (Centre de recherche en photoscience moléculaire, Université de Kobe) et le professeur MAJIMA Tetsuro (Institut de recherche scientifique et industrielle, Université d'Osaka). Leurs conclusions ont été publiées le 6 avril dans la version en ligne de Angewandte Chemie Édition Internationale .
Lorsque la lumière est appliquée aux photocatalyseurs, des électrons et des trous sont produits à la surface du catalyseur, et l'hydrogène est obtenu lorsque ces électrons réduisent les ions hydrogène dans l'eau. Cependant, dans les photocatalyseurs traditionnels les trous qui se produisent en même temps que les électrons se recombinent majoritairement à la surface du catalyseur et disparaissent, rendant difficile l'augmentation de l'efficacité de la conversion.
Le groupe de recherche du professeur Tachikawa a développé un photocatalyseur composé de mésocrystal, créant délibérément un manque d'uniformité dans la taille et la disposition des cristaux. Ce nouveau photocatalyseur est capable de séparer spatialement les électrons et les trous d'électrons pour les empêcher de se recombiner. Par conséquent, il a un taux de conversion beaucoup plus efficace pour produire de l'hydrogène que les photocatalyseurs nanoparticulaires conventionnels (environ 7 pour cent).
La structure des mésocristaux SrTiO3. Crédit :Université de Kobe
L'équipe a développé une nouvelle méthode appelée "croissance épitaxiale topotactique" qui utilise les espaces de taille nanométrique dans les mésocristaux. Sur la base de cette méthode de synthèse, ils ont pu synthétiser du titanate de strontium (SrTiO3) à partir d'un composé de structure différente, oxyde de titane (TiO2), en utilisant une simple réaction hydrothermale en une étape. En allongeant le temps de réaction, ils pourraient également faire croître des particules plus grosses près de la surface tout en préservant leur structure cristalline.
Lorsqu'ils ont attaché un co-catalyseur au mésocristal synthétisé et appliqué de la lumière ultraviolette dans l'eau, la réaction s'est produite avec un rendement de conversion d'énergie lumineuse d'environ 7 pour cent. Dans les mêmes conditions, Les nanoparticules de SrTiO3 qui n'avaient pas été converties en mésocristaux ont atteint un rendement de conversion inférieur à 1 pour cent, prouvant que l'efficacité de la réaction a décuplé sous la structure mésocristale. Lorsque chaque particule a été examinée au microscope à fluorescence, l'équipe a découvert que les électrons produits au cours de la réaction se sont rassemblés autour des plus gros nanocristaux.
Lorsqu'il est exposé à la lumière ultraviolette, les électrons de ce photocatalyseur nouvellement développé se déplacent en douceur entre les nanoparticules à l'intérieur du mésocrystal, se rassembler autour des plus gros nanocristaux générés à la surface du cristal, et réduire efficacement les ions hydrogène pour créer de l'hydrogène.
Emission de lumière mésocristal SrTiO3. Crédit :Université de Kobe
La découverte de ce puissant photocatalyseur a commencé avec l'idée des chercheurs de « briser délibérément la structure ordonnée des mésocrystaux, " un concept qui pourrait être appliqué à d'autres matériaux. Le titanate de strontium utilisé cette fois est un cristal cubique, ce qui signifie qu'il n'y a pas de variation dans l'adsorption moléculaire ou la force de réaction pour chaque plan cristallin. En régulant la taille et la disposition spatiale des nanocristaux, qui forment les éléments constitutifs de cette structure, il peut être possible d'augmenter considérablement l'efficacité de conversion d'énergie lumineuse du système existant.
En utilisant ces résultats, le groupe de recherche prévoit d'appliquer la technologie des mésocristaux pour réaliser la production ultra-efficace d'hydrogène à partir de l'énergie solaire. Les oxydes métalliques pérovskites, y compris le titanate de strontium, la cible de cette étude, sont les matériaux fondamentaux des éléments électroniques, de sorte que leurs résultats pourraient être appliqués à un large éventail de domaines.
