La croissance économique mondiale s'accompagne d'une demande croissante d'énergie, mais l'augmentation de la production d'énergie peut être difficile. Récemment, les scientifiques ont atteint une efficacité record pour la conversion solaire-carburant, et maintenant ils veulent incorporer la machinerie de la photosynthèse pour la pousser plus loin. Les chercheurs présenteront leurs résultats aujourd'hui lors de la réunion et de l'exposition virtuelles de l'automne 2020 de l'American Chemical Society (ACS).

"Nous voulons fabriquer un système photocatalytique qui utilise la lumière du soleil pour entraîner des réactions chimiques d'importance environnementale, " dit Lilas Amirav, Doctorat., le chercheur principal du projet.

Spécifiquement, son groupe de l'Institut israélien de technologie conçoit un photocatalyseur capable de transformer l'eau en carburant hydrogène. "Lorsque nous plaçons nos nanoparticules en forme de bâtonnets dans l'eau et que nous les éclairons, ils génèrent des charges électriques positives et négatives, " dit Amirav. " Les molécules d'eau se brisent; les charges négatives produisent de l'hydrogène (réduction), et les charges positives produisent de l'oxygène (oxydation). Les deux réactions, impliquant les charges positives et négatives, doit avoir lieu simultanément. Sans profiter des charges positives, les charges négatives ne peuvent pas être acheminées pour produire l'hydrogène souhaité."

Si les charges positives et négatives, qui sont attirés l'un par l'autre, réussir à se recombiner, ils s'annulent, et l'énergie est perdue. Donc, pour s'assurer que les charges sont suffisamment éloignées les unes des autres, l'équipe a construit des hétérostructures uniques composées d'une combinaison de différents semi-conducteurs, avec des catalyseurs métalliques et oxydes métalliques. À l'aide d'un système de modèles, ils ont étudié séparément les réactions de réduction et d'oxydation et modifié l'hétérostructure pour optimiser la production de carburant.

En 2016, l'équipe a conçu une hétérostructure avec un point quantique sphérique de séléniure de cadmium intégré dans un morceau de sulfure de cadmium en forme de tige. Une particule métallique de platine était localisée à la pointe. La particule de séléniure de cadmium a attiré des charges positives, tandis que des charges négatives s'accumulent sur la pointe. "En ajustant la taille du point quantique et la longueur de la tige, ainsi que d'autres paramètres, nous avons atteint 100 % de conversion de la lumière du soleil en hydrogène à partir de la réduction de l'eau, " dit Amirav. Une seule nanoparticule de photocatalyseur peut produire 360, 000 molécules d'hydrogène par heure, elle note.

Le groupe a publié ses résultats dans la revue ACS Lettres nano . Mais dans ces expériences, ils n'ont étudié que la moitié de la réaction (la réduction). Pour un bon fonctionnement, le système photocatalytique doit supporter à la fois les réactions de réduction et d'oxydation. "Nous ne convertissions pas encore l'énergie solaire en carburant, " Amirav dit. " Nous avions encore besoin d'une réaction d'oxydation qui fournirait continuellement des électrons au point quantique. " La réaction d'oxydation de l'eau se produit dans un processus en plusieurs étapes, et, par conséquent, demeure un défi important. En outre, ses sous-produits semblent compromettre la stabilité du semi-conducteur.

En collaboration avec des collaborateurs, le groupe a exploré une nouvelle approche - à la recherche de différents composés pouvant être oxydés à la place de l'eau - qui les a conduits à la benzylamine. Les chercheurs ont découvert qu'ils pouvaient produire de l'hydrogène à partir de l'eau, tout en transformant simultanément la benzylamine en benzaldéhyde. « Avec cette recherche, nous avons transformé le processus de la photocatalyse à la photosynthèse, C'est, véritable conversion de l'énergie solaire en carburant, " dit Amirav. Le système photocatalytique effectue une véritable conversion de l'énergie solaire en liaisons chimiques stockables, avec un maximum de 4,2 % d'efficacité de conversion d'énergie solaire en énergie chimique. « Ce chiffre établit un nouveau record mondial dans le domaine de la photocatalyse, et double le record précédent, », note-t-elle. « Le département américain de l'Énergie a défini 5 à 10 % comme le « seuil de faisabilité pratique » pour générer de l'hydrogène par photocatalyse. D'où, nous sommes à la porte d'une conversion solaire en hydrogène économiquement viable."

Ces résultats impressionnants ont motivé les chercheurs à voir s'il existe d'autres composés avec des conversions solaires-chimiques élevées. Faire cela, l'équipe utilise l'intelligence artificielle. Grâce à une collaboration, les chercheurs développent un algorithme pour rechercher des structures chimiques pour un composé producteur de carburant idéal. En outre, ils recherchent des moyens d'améliorer leur photosystème, et une façon pourrait être de s'inspirer de la nature. Un complexe protéique dans les membranes cellulaires végétales qui comprend les circuits électriques de la photosynthèse a été combiné avec succès avec des nanoparticules. Amirav dit que ce système artificiel s'est jusqu'à présent avéré fructueux, soutenant l'oxydation de l'eau tout en fournissant un photocourant 100 fois plus grand que celui produit par d'autres systèmes similaires.