Formation de mésocristaux photoanodes et caractéristiques de fractionnement photochimique de l'eau. une. Image au microscope électronique d'un mésocristal d'hématite (assemblé à partir de minuscules nanoparticules d'environ 5 nm). b. Production de gaz à partir de l'anode. c. Graphique pour montrer la densité de courant et la tension appliquée. L'anode est l'anode du photocatalyseur, et une électrode de platine a été utilisée pour la cathode. Le potentiel est basé sur le RHE (Reversible Hydrogen Electrode). Le potentiel d'oxydation est de 1,23V. La capacité de séparation de l'eau solaire a été considérablement améliorée en réduisant la taille des nanoparticules dans les structures mésocristales. Crédit :Université de Kobe
Un groupe de recherche dirigé par le professeur agrégé Tachikawa Takashi du Centre de recherche en photoscience moléculaire de l'Université de Kobe a réussi à développer une stratégie qui augmente considérablement la quantité d'hydrogène produite à partir de la lumière du soleil et de l'eau en utilisant des photocatalyseurs d'hématite.
L'hydrogène a retenu l'attention en tant que solution énergétique de prochaine génération possible, et il peut être produit à partir de la lumière du soleil et de l'eau en utilisant des photocatalyseurs. Afin de rendre cela possible, il est nécessaire de développer des technologies de base pour optimiser le potentiel des photocatalyseurs, en plus de trouver de nouveaux matériaux pour les catalyseurs.
Cette fois, Tachikawa et al. a réussi à produire une photoanode avec une conductivité extrêmement élevée. Ceci a été réalisé uniquement par recuit de mésocristaux d'hématite, (superstructures constituées de minuscules nanoparticules d'environ 5 nm) à un substrat d'électrode transparent. L'hématite peut absorber une large gamme de lumière visible et est sans danger, stable, et pas cher.
Avec cette photoanode, les électrons et les trous produits par la source lumineuse se sont séparés rapidement et, à la fois, un grand nombre de trous densément accumulés à la surface des particules. L'accumulation de trous a amélioré l'efficacité de la réaction d'oxydation de l'eau; la lente oxydation de l'eau était auparavant un goulot d'étranglement dans le fractionnement de l'eau.
En plus d'augmenter le rendement élevé de ce qui est considéré comme la photoanode la plus performante au monde, cette stratégie sera également appliquée aux technologies de photosynthèse artificielle et de séparation de l'eau solaire via des collaborations entre l'université et les industries.
Ces résultats seront publiés dans la revue allemande de chimie en ligne Angewandte Chemie Édition Internationale le 30 avril. Cette œuvre figurait également sur la couverture intérieure.
La photoconductivité des mésocristaux d'hématite. une. Illustration des mesures AFM photoconductrice (*10). b. Graphique montrant les courbes de potentiel courant/courant correspondantes. L'image en médaillon montre le mésocrystal mesuré (produit à partir de mésocristaux de frittage à partir de minuscules nanoparticules de 5 nm). Crédit :Université de Kobe
Points principaux:
Le monde étant confronté à des problèmes environnementaux et énergétiques croissants, l'hydrogène a attiré l'attention comme l'une des sources d'énergie possibles de la prochaine génération. Idéalement, des photocatalyseurs pourraient être utilisés pour convertir l'eau et la lumière du soleil en hydrogène. Cependant, un taux de conversion de l'énergie solaire supérieur à 10 % est nécessaire pour permettre l'adoption industrielle d'un tel système. En utilisant les atouts du Japon dans la découverte de nouveaux matériaux, il est essentiel d'établir une technologie de base commune qui puisse libérer le potentiel des photocatalyseurs afin d'atteindre cet objectif.
Précédemment, Tachikawa et al. développé une « technologie mésocristal », qui consiste à aligner précisément des nanoparticules dans des photocatalyseurs pour contrôler le flux d'électrons et leurs trous. Récemment, ils ont appliqué cette technologie à l'hématite (a-Fe
Cette fois, ils ont pu augmenter le taux de conversion jusqu'à 42 % de sa limite théorique (16 %) en synthétisant de minuscules sous-unités de nanoparticules dans l'hématite.
Technologie mésocristal :
Le mécanisme solaire de séparation de l'eau des mésocristaux d'hématite. une. La formation de lacunes d'oxygène (Vo) à l'intérieur des mésocristaux et de la structure des bandes. Des couches d'appauvrissement de moins de 1 nm favorisent la division électronique et l'oxydation de l'eau. CB :Bande de conduction, VB :Bande de Valence, e- :électron, h+ :trou. b. En fonction du gradient potentiel, une grande quantité de trous se sont accumulés à la surface des particules et ont oxydé l'eau, conduisant à une forte diminution de l'énergie d'activation (Ea) et à l'amélioration du taux de conversion.
Le principal problème qui provoque une baisse du taux de conversion dans les réactions photocatalytiques est que les électrons et les trous produits par la lumière se recombinent avant de pouvoir réagir avec les molécules (dans ce cas, eau) en surface. Tachikawa et al. créé des superstructures mésocristales d'hématite avec des nanoparticules hautement orientées via la synthèse solvothermique. Ils ont pu développer des photoanodes mésocristallines conductrices pour le fractionnement de l'eau en accumulant et en frittant des mésocristaux sur le substrat transparent de l'électrode (Figure 1).
Formation et performances des photocatalyseurs :
Des photoanodes à mésocristaux ont été produites en revêtant le substrat transparent de l'électrode de mésocristaux d'hématite contenant du titane, puis en les recuitant à 700 ºC. Un co-catalyseur a été déposé à la surface des mésocristaux. Lorsque les photocatalyseurs ont été placés dans une solution alcaline et éclairés par la lumière artificielle du soleil, la réaction de séparation de l'eau a eu lieu à une densité de photocourant de 5,5 mAcm-2 sous une tension appliquée de 1,23 V (figure 1). Il s'agit de la plus haute performance réalisée au monde pour l'hématite, qui est l'un des matériaux photocatalyseurs les plus idéaux en raison à la fois de son faible coût et de ses propriétés d'absorption de la lumière. En outre, les photoanodes à mésocristal d'hématite ont fonctionné de manière stable au cours d'expériences répétées au cours de 100 heures.
La clé pour atteindre un taux de conversion élevé est la taille des nanoparticules qui composent la structure mésocristale. Il est possible d'augmenter considérablement la quantité de lacunes d'oxygène qui se forment pendant le processus de frittage en rendant les nanoparticules aussi petites que 5 nm et en augmentant les interfaces de connexion entre les nanoparticules. Cela a augmenté la densité électronique, et a considérablement augmenté la conductivité des mésocristaux (Figure 2).
La densité électronique élevée est liée à la formation d'une large bande de courbure près de la surface du mésocristal. Cela favorise la séparation initiale des charges et facilite l'accumulation de trous à la surface. Ce résultat a été optimisé en raison de la structure nanoparticulaire minuscule des mésocristaux, et a stimulé la réaction d'oxydation de l'eau qui avait été un goulot d'étranglement pour une séparation efficace de l'eau (Figure 3).
Cette étude a révélé que la technologie des mésocristaux est capable de minimiser considérablement le problème de recombinaison, qui est la cause principale du faible rendement des photocatalyseurs, et accélérer de façon exponentielle la réaction de fractionnement de l'eau.
On espère que cette stratégie pourra également être appliquée à d'autres oxydes métalliques. Prochain, les chercheurs collaboreront avec des industries pour optimiser les photoanodes à mésocristal d'hématite et mettre en œuvre un système industriel de production d'hydrogène à partir de la lumière solaire. À la fois, la stratégie développée par cette étude sera appliquée à diverses réactions, y compris la photosynthèse artificielle.
