(L-r) Jan Kosco, Iain McCulloch et Calvyn Howells discutent du potentiel de leur photocatalyseur d'évolution de l'hydrogène. Crédit :KAUST
Un photocatalyseur semi-conducteur organique qui améliore considérablement la production d'hydrogène gazeux pourrait conduire à des technologies de stockage d'énergie plus efficaces.
La combustion de combustibles fossiles entraîne un changement climatique dangereux, recherche de sources d'énergie renouvelables plus propres. L'énergie solaire est de loin la source d'énergie renouvelable la plus abondante, mais libérer son potentiel nécessite un moyen de le stocker pour une utilisation ultérieure.
Une méthode standard pour stocker l'énergie solaire est dans les liaisons chimiques de l'hydrogène moléculaire à l'aide de photocatalyseurs à évolution d'hydrogène (HEP). Actuellement, la plupart des HEP sont fabriqués à partir de semi-conducteurs inorganiques à un seul composant. Ceux-ci ne peuvent absorber la lumière qu'aux longueurs d'onde ultraviolettes, ce qui limite leur capacité à produire de l'hydrogène.
Une équipe dirigée par Iain McCulloch du KAUST Solar Center, en partenariat avec des chercheurs des États-Unis et du Royaume-Uni, a maintenant développé des HEP fabriqués à partir de deux matériaux semi-conducteurs différents. Ils ont incorporé ces matériaux dans des nanoparticules organiques qui peuvent être réglées pour absorber une plus grande partie du spectre de la lumière visible.
"Traditionnellement, les semi-conducteurs inorganiques ont été utilisés pour des applications photocatalytiques, " dit Jan Kosco, premier auteur de l'étude. "Toutefois, ces matériaux absorbent principalement la lumière UV, qui comprend moins de cinq pour cent du spectre solaire. Par conséquent, leur efficacité est limitée.
L'équipe a d'abord utilisé une méthode appelée miniémulsion, dans lequel une solution des semi-conducteurs organiques est émulsionnée dans l'eau à l'aide d'un tensioactif stabilisant. Prochain, ils ont chauffé l'émulsion pour chasser le solvant, laissant derrière eux des nanoparticules semi-conductrices organiques stabilisées par un tensioactif.
En faisant varier le tensioactif, ils ont pu contrôler la structure des nanoparticules, en les transformant d'une structure noyau-enveloppe à une structure mixte donneur/accepteur. La structure mixte leur a permis d'introduire une hétérojonction entre les couches du polymère donneur et de l'accepteur non fullerène.
"Les deux structures absorbent la lumière au même taux, " explique Kosco, "mais dans la structure noyau-coque, seuls les trous photogénérés atteignent la surface; cependant, dans la structure mixte, les trous et les électrons atteignent la surface des nanoparticules, résultant en une production accrue d'hydrogène.
Jan Kosco (au premier plan) et Calvyn Howells examinent les résultats du mélange de nanoparticules de l'équipe. Crédit :KAUST
Les HEP ont présenté des taux de dégagement d'hydrogène d'un ordre de grandeur au-delà de ce qui est actuellement réalisable avec des HEP inorganiques à un seul composant. Cela jette les bases des technologies de stockage d'énergie de nouvelle génération.
« Nous étudions actuellement les performances de nanoparticules formées à partir de différents mélanges de semi-conducteurs pour mieux comprendre leurs relations structure-activité, " dit McCulloch. " Nous cherchons à concevoir des photocatalyseurs à nanoparticules pour d'autres réactions photocatalytiques, comme le dégagement d'oxygène ou la réduction du dioxyde de carbone.
