2 rehaussé d'un matériau riche en terre :le cobalt. L'approche proposée est simple et représente un tremplin dans la quête d'un fractionnement de l'eau abordable pour produire de l'hydrogène, une alternative propre aux combustibles fossiles.
Fractionnement photoélectrochimique de l'eau, le processus par lequel l'énergie lumineuse est utilisée pour diviser les molécules d'eau en hydrogène (H 2 ) et l'oxygène (O 2 ), est une approche prometteuse pour obtenir de l'hydrogène pur à utiliser comme carburant propre alternatif. Ce procédé est réalisé dans des cellules électrochimiques qui contiennent une anode et une cathode immergées dans l'eau, qui sont reliés par un circuit externe.
A l'anode, l'oxydation de l'eau se produit, où O 2 est produit en tirant l'énergie des ondes lumineuses. Ces ondes transfèrent de l'énergie aux électrons du matériau de l'anode, leur permettant de se déplacer à travers le circuit externe pour atteindre la cathode. Ici, les électrons reçus et le matériau cathodique provoquent H 2 former.
À ce jour, il a été difficile de trouver des systèmes photoélectrochimiques qui réalisent ce processus efficacement pour diverses raisons. Dioxyde de titane (TiO 2 ), un matériau photoanode bien connu et largement utilisé, ne peut absorber l'énergie de la lumière que dans la région ultraviolette; C'est, lumière à haute énergie. Parce qu'il serait préférable d'exploiter l'énergie de la lumière de plus longue longueur d'onde, TiO 2 peut être mélangé à des métaux nobles (comme l'or ou l'argent) pour le sensibiliser à la lumière visible, mais cela serait coûteux dans les applications à grande échelle.
Pour trouver une solution à ce problème, une équipe de recherche de Tokyo Tech a créé la première photoanode à lumière visible en TiO 2 rehaussé d'un matériau riche en terre :le cobalt. Leur étude publiée dans Matériaux et interfaces appliqués ACS explique le processus étonnamment simple de fabrication de photoanode; TiO fin 2 les films sont développés sur un substrat par une procédure standard, puis le cobalt est introduit en les immergeant dans une solution aqueuse de nitrate de cobalt. "Cette étude démontre qu'une cellule photoélectrochimique à lumière visible pour l'oxydation de l'eau peut être construite grâce à l'utilisation de métaux abondants en terre sans avoir besoin de procédures de préparation compliquées, " remarque le Pr Kazuhiko Maeda, qui a dirigé la recherche.
Grâce à plusieurs types d'analyses de spectrométrie et de microscopie électronique à balayage, les chercheurs ont identifié la composition et la structure spécifiques de la surface modifiée au cobalt du TiO 2 photoanode pour comprendre comment le cobalt permet au matériau d'absorber la lumière visible pour mobiliser les électrons et provoquer l'oxydation de l'eau. Il s'avère que les domaines de cobalt ne capturent pas seulement la lumière visible et transfèrent des charges (électrons) au niveau du TiO. 2 interface, mais servent également de sites catalytiques qui facilitent l'oxydation de l'eau. De plus, les chercheurs ont découvert que la structure de la base TiO 2 le film mince affecte les performances de la photoanode modifiée finale, vraisemblablement en permettant une meilleure ou une pire adaptation des atomes de cobalt. La structure du TiO 2 le film peut être facilement réglé en ajustant les paramètres de fabrication, ce qui a permis à l'équipe de réaliser de multiples tests pour mieux comprendre ce phénomène.
Il reste encore du travail à faire, car il sera nécessaire d'optimiser davantage la conception de la photoanode pour améliorer le processus de transfert de charge qui se produit entre les atomes de cobalt et le TiO 2 substrat pour obtenir des taux d'oxydation de l'eau plus élevés. Néanmoins, un avantage majeur du système d'oxydation de l'eau proposé est qu'il n'est pas sacrificiel; en d'autres termes, les matériaux utilisés ne reposent pas sur des oxydants et/ou des réducteurs riches en énergie (c'est-à-dire, réactifs sacrificiels). "Jusque là, les systèmes de photooxydation de l'eau sensibilisés au cobalt étaient composés d'une photocatalyse à base de poudre, qui ne fonctionnent qu'en présence d'un accepteur d'électrons sacrificiel. Par conséquent, la présente étude démontre également la division de l'eau en lumière visible sans réactif sacrificiel à l'aide d'un matériau semi-conducteur sensibilisé au cobalt (TiO 2 ), " conclut le professeur Maeda. Cette étude servira, espérons-le, de tremplin à tous ceux qui tentent de parvenir à un fractionnement de l'eau abordable pour assurer un avenir plus vert.
