Des scientifiques de l'Institut de technologie de Tokyo (Tokyo Tech) ont développé un matériau hybride construit à partir d'une nanofeuille d'oxyde métallique et d'une molécule absorbant la lumière pour diviser les molécules d'eau afin d'obtenir du dihydrogène (H 2 ) sous le soleil. Depuis H 2 peut être utilisé comme carburant sans carbone, cette étude fournit des informations pertinentes sur la production d'énergie propre.

Face à l'épuisement des énergies fossiles et aux problèmes environnementaux dus à leur combustion, le développement de technologies pour la production d'énergie propre est un sujet d'intérêt mondial. Parmi les différentes méthodes proposées pour générer de l'énergie propre, la séparation photocatalytique de l'eau est très prometteuse. Cette méthode utilise l'énergie solaire pour diviser les molécules d'eau et obtenir du dihydrogène (H 2 ). Le H 2 peut ensuite être utilisé comme combustible sans carbone ou comme matière première dans la production de nombreux produits chimiques importants.

Maintenant, une équipe de recherche dirigée par Kazuhiko Maeda à Tokyo Tech a développé un nouveau photocatalyseur composé de feuilles d'oxyde métallique à l'échelle nanométrique et d'une molécule de colorant ruthénium, qui fonctionne selon un mécanisme similaire aux cellules solaires à colorant. Alors que les oxydes métalliques qui sont photocatalytiquement actifs pour la division globale de l'eau en H 2 et ô 2 avoir de larges bandes interdites, les oxydes sensibilisés au colorant peuvent utiliser la lumière visible, principal composant de la lumière solaire (Figure 1). Le nouveau photocatalyseur est capable de générer H 2 à partir d'eau avec une fréquence de renouvellement de 1960 par heure et un rendement quantique externe de 2,4 %.

Ces résultats sont les plus élevés enregistrés pour les photocatalyseurs à colorant sous lumière visible, rapprochant l'équipe de Maeda de l'objectif de la photosynthèse artificielle, reproduisant le processus naturel d'utilisation de l'eau et de la lumière du soleil pour produire de l'énergie de manière durable.

Le nouveau matériel, signalé dans Journal de l'American Chemical Society , est construit à partir de nanofeuillets de niobate de calcium de grande surface (HCa 2 Nb 3 O dix ) intercalé avec des nanoclusters de platine (Pt) en tant que H 2 -sites en évolution. Cependant, les nanofeuillets modifiés au platine ne fonctionnent pas seuls, car ils n'absorbent pas efficacement la lumière du soleil. Ainsi, une molécule de colorant au ruthénium absorbant la lumière visible est combinée avec la nanofeuille, permettant l'énergie solaire H 2 évolution (figure 2).

Ce qui rend le matériau efficace, c'est l'utilisation de nanofeuilles, qui peut être obtenu par exfoliation chimique de HCa lamellaire 2 Nb 3 O dix . La grande surface et la flexibilité structurelle des nanofeuilles maximisent les charges de colorant et la densité de H 2 sites d'évolution, qui à son tour améliorent H 2 efficacité d'évolution. Aussi, optimiser les performances, L'équipe de Maeda a modifié les nanofeuillets avec de l'alumine amorphe, qui joue un rôle important dans l'amélioration de l'efficacité du transfert d'électrons. « Sans précédent, la modification de l'alumine pour les nanofeuillets favorise la régénération du colorant pendant la réaction sans entraver l'injection d'électrons du colorant à l'état excité à la nanofeuille-l'étape principale de H sensibilisé au colorant 2 évolution, " dit Maeda.

"Jusqu'à tout récemment, il était considéré comme très difficile d'atteindre H 2 évolution par division globale de l'eau sous lumière visible à l'aide d'un photocatalyseur à colorant à haute efficacité, " explique Maeda. " Notre nouveau résultat démontre clairement que c'est bien possible, en utilisant un hybride molécule-nanomatériau soigneusement conçu. »

Des recherches supplémentaires sont nécessaires, car il sera nécessaire d'optimiser davantage la conception du photocatalyseur hybride pour améliorer l'efficacité et la durabilité à long terme. La séparation photocatalytique de l'eau peut être un moyen crucial de répondre aux besoins énergétiques de la société sans nuire davantage à l'environnement, et des études comme celle-ci sont des tremplins essentiels pour atteindre notre objectif d'un avenir plus vert.