Terre abondante, les métaux bon marché sont des matériaux d'électrode photocatalytiques prometteurs dans la photosynthèse artificielle. Une équipe de scientifiques chinois rapporte maintenant qu'une fine couche d'oxyde de titane sous les nanotiges d'hématite peut améliorer les performances de la photoanode. Comme indiqué dans leur rapport dans le journal Angewandte Chemie , l'électrode nanostructurée bénéficie de deux effets distincts. Cette conception combinant nanostructure et dopage chimique peut être exemplaire pour des systèmes photocatalytiques « verts » améliorés.

A l'aide d'un catalyseur, la lumière du soleil peut entraîner l'oxydation de l'eau en oxygène et la libération d'électrons pour la génération de courant, un processus également appelé photosynthèse artificielle. L'oxyde de fer sous forme d'hématite est un catalyseur candidat pratique et bon marché, mais les électrons libérés par la réaction chimique ont tendance à se retrouver piégés et à se perdre; le flux d'électricité est inefficace. Comme solution, Jinlong Gong de l'Université de Tianjin, Chine, introduit une couche de passivation nanométrique d'oxyde de titane. Non seulement cela empêche la recombinaison de charge entre la structure d'électrode en hématite et le substrat, mais il fournit également à l'oxyde de fer une source de dopage considérable pour augmenter sa densité de porteurs de charge, un effet très prometteur pour les applications photoélectriques.

L'hématite peut être un matériau abondant (minerai de fer), mais malgré ses avantages photocatalytiques comme la photostabilité et de bonnes conditions énergétiques, les scientifiques sont toujours aux prises avec sa cinétique lente et sa mauvaise conductivité électrique. L'hématite nanostructurée peut être une solution. Les photocatalyseurs d'hématite sont cultivés sur des substrats de verre conducteur dans des matrices de nanotiges, qui sont en outre garnis de rameaux pour obtenir un buisson, forme dendritique. Cette structure de nanotige ramifiée agrandit considérablement la surface pour favoriser la réaction d'oxydation de l'eau, mais le problème de la recombinaison des charges, notamment à l'interface hématite-substrat, n'est pas résolu.

Par conséquent, Gong et ses collègues ont fait pousser des nanotiges d'hématite dendritique sur une couche intermédiaire de dioxyde de titane, qui en soi est un matériau photoactif. S'il est suffisamment fin, la structure revêtue peut à la fois empêcher la recombinaison des charges et assurer la conductivité, mais ce n'était pas la seule intention des scientifiques. "La couche intermédiaire de dioxyde de titane a été considérée comme une source de cations de titane pour doper l'hématite, ", ont-ils soutenu. Le dopage signifie ici augmenter la densité de porteurs de charge dans le photocatalyseur en faisant entrer plus de centres positifs et en augmentant la conductivité électrique.

Les deux effets, passivation et dopage, en effet produit un photocourant plus de quatre fois plus élevé dans des conditions standardisées. L'ajout d'un co-catalyseur d'hydroxyde de fer a poussé la densité de photocourant encore plus loin à une valeur plus de cinq fois supérieure à celle du système non dopé. Cette conception combinant des matériaux bon marché, quelques étapes de préparation, et des performances électriques améliorées peuvent être exemplaires pour des systèmes améliorés dans la photosynthèse artificielle verte.