Avec l'épuisement continu des combustibles fossiles, l'augmentation des gaz à effet de serre, la question de savoir comment rendre propre, une énergie sûre et abordable reste une préoccupation majeure.

À la suite des travaux fondateurs du lauréat du prix Nobel Jean-Marie Lehn et d'autres dans les années 1980, les photocatalyseurs - des matériaux qui convertissent la lumière en énergie - ont été de plus en plus explorés comme un moyen efficace de décomposer le dioxyde de carbone (CO2) en utile, molécules de haute énergie. Par rapport aux approches conventionnelles telles que la catalyse thermique, par exemple, les photocatalyseurs ont l'avantage de ne pas nécessiter de procédures coûteuses telles que des températures et des pressions élevées.

Maintenant, une équipe de recherche dirigée par Kazuhiko Maeda à Tokyo Tech a développé un nouveau nanomatériau capable de réduire le CO2 avec une sélectivité (Term.a) de 99% et un chiffre d'affaires (Term.b) de plus de 2000, surpassant les méthodes existantes.

Ces résultats sont les plus élevés enregistrés en lumière visible et dans l'eau, rapprocher l'équipe de Maeda de l'objectif de la photosynthèse artificielle - la conception de systèmes qui reproduisent le processus naturel d'utilisation de la lumière du soleil, l'eau et le CO2 pour une production d'énergie durable.

Le nouveau matériel, signalé dans Angewandte Chemie , se compose de nanofeuillets de nitrure de carbone de grande surface combinés à une structure métallique connue sous le nom de complexe binucléaire de ruthénium(II) (RuRu'). Bien que différents types de complexes métalliques soient connus pour favoriser la réduction du CO2, Maeda dit que RuRu' est actuellement "le plus performant" mais qu'il doit être remplacé par des homologues sans métaux précieux à l'avenir.

Ce qui rend le matériau unique, c'est la mesure dans laquelle le RuRu' se lie à la surface de la nanofeuille. Une liaison forte améliore le transfert d'électrons, ce qui à son tour améliore la réduction de CO2. Dans l'étude, jusqu'à 70 % du RuRu' s'est avéré être attaché aux nanofeuillets - un chiffre sans précédent, Maeda explique, étant donné que la surface du nitrure de carbone est considérée comme chimiquement inerte. « Cela a été une grande surprise dans notre communauté de recherche, " il dit.

Aussi, optimiser les performances, L'équipe de Maeda a modifié les nanofeuillets avec de l'argent, qui joue un rôle important dans l'amélioration de l'efficacité de la capture et du transfert d'électrons.

La recherche ouvre de nouvelles possibilités pour les photocatalyseurs à base de nitrure de carbone, car ils fonctionnent non seulement dans l'eau mais aussi dans divers solvants organiques, qui peuvent être transformés en produits chimiques à valeur ajoutée tels que les aldéhydes dans l'industrie chimique.

"Jusqu'à très récemment, il semblait impossible d'obtenir une réduction de CO2 sous lumière visible en solution aqueuse avec un rendement élevé, " dit Maeda. " Notre nouveau résultat démontre clairement que c'est effectivement possible, même en utilisant un matériau à base de nitrure de carbone à faible coût."

L'un des prochains défis de l'équipe de Maeda est de concevoir des photocatalyseurs composés de métaux abondants en terre tels que le fer et le cuivre à la place du métal rare ruthénium.