Gaz hydrogène, une matière première synthétique importante, est sur le point de jouer un rôle clé dans la technologie des énergies renouvelables; cependant, ses références sont sapées car la plupart proviennent actuellement de combustibles fossiles, comme le gaz naturel. Une équipe de KAUST a maintenant trouvé une voie plus durable vers la production de carburant hydrogène en utilisant chaotique, des matériaux piégeant la lumière qui imitent le fractionnement naturel de l'eau photosynthétique.

Les enzymes complexes à l'intérieur des plantes sont peu pratiques à fabriquer, les chercheurs ont donc mis au point des photocatalyseurs qui utilisent une énergie élevée, électrons chauds pour scinder les molécules d'eau en hydrogène et oxygène gazeux. Récemment, des métaux nanostructurés qui convertissent les électrons solaires en intenses, les résonances plasmoniques ondulatoires ont suscité un intérêt pour la production d'hydrogène. Les plasmons métalliques à grande vitesse aident à transférer les porteurs vers les sites catalytiques avant qu'ils ne se relâchent et réduisent l'efficacité catalytique.

Faire en sorte que les nanoparticules métalliques répondent à l'ensemble du spectre large bande de la lumière visible est un défi. "Les systèmes plasmoniques ont des géométries spécifiques qui ne piègent la lumière qu'à des fréquences caractéristiques, " explique Andrea Fratalocchi, qui a dirigé la recherche. "Certaines approches essaient de combiner plusieurs nanostructures pour s'imprégner de plus de couleurs, mais ces absorptions ont lieu à différents endroits de l'espace, de sorte que l'énergie du soleil n'est pas récoltée de manière très efficace."

Fratalocchi et son équipe ont conçu une nouvelle stratégie utilisant des nanostructures métalliques connues sous le nom de métamatériaux epsilon-near-zero (ENZ) qui se développent de manière aléatoire, aiguilles fractales semblables à un petit pin. A l'intérieur des cavités formées par les branches métalliques saillantes, la propagation de la lumière ralentit jusqu'à un quasi arrêt. Cela permet à la substance ENZ de comprimer toutes les couleurs de la lumière visible aux mêmes emplacements à l'échelle nanométrique.

Cependant, l'optimisation du matériau ENZ pour la production d'hydrogène s'est avérée un processus long de plusieurs mois. Toutes les structures en forme d'aiguille ne fonctionnent pas de la même manière, ce qui signifiait que l'équipe devait affiner tous les paramètres de fabrication pour trouver le bon désordre pour des réactions efficaces. Puis, le choix du dioxyde de titane semi-conducteur comme substrat pour collecter les électrons chauds nécessitait des cristaux d'une pureté extrêmement élevée. Finalement, la concentration et la position des nanoparticules de platine utilisées pour scinder catalytiquement les molécules d'eau devaient être contrôlées avec précision, des dépôts difficiles avec la géométrie complexe d'ENZ.

Le résultat en valait la peine :des expériences ont révélé que le photocatalyseur ENZ utilisait une lumière à large bande pour générer des porteurs chauds dans une région interfaciale étroite de 10 nm pour un gain global d'efficacité de 300 %.

"En raison de la possibilité de contrôler leur absorption, les nanostructures ENZ sont des candidats idéaux pour la récupération d'énergie solaire, " dit Fratalocchi. " Nous avons récemment conçu un prototype industriel avec une efficacité impressionnante, ce qui nous rend très optimistes quant aux possibilités futures de cette technologie."