Actuellement, la majorité de l'énergie consommée par la population mondiale provient du pétrole et d'autres ressources non renouvelables qui risquent de s'épuiser dans un proche avenir. Par conséquent, le développement de méthodes de photosynthèse artificielle utilisant des photocatalyseurs pour produire de l'énergie chimique (hydrogène combustible) à partir de la lumière du soleil et de l'eau a reçu beaucoup d'attention et divers projets de recherche sont menés dans ce domaine.

Lors de la photosynthèse artificielle, oxygène (O 2 ) est produit par le photocatalyseur via la réaction de séparation de l'eau. En collaboration avec des chercheurs de l'Université de Kanazawa, Université de Shinshu et Université de Tokyo, Le professeur Onishi Hiroshi et al. de la Graduate School of Science de l'Université de Kobe a développé une méthode d'évaluation de la mesure capable de détecter O 2 1000 fois plus rapide que les méthodes conventionnelles. On espère que la méthode développée grâce à cette recherche pourra être utilisée pour améliorer notre compréhension des mécanismes de réaction derrière la photosynthèse artificielle et contribuer au développement de photocatalyseurs qui pourraient être mis en œuvre dans le monde réel.

L'importance de rendre publics ces résultats de recherche le plus tôt possible a été reconnue; l'article publié dans le journal de l'American Chemistry Society Catalyse ACS a reçu une version avancée en ligne le 29 octobre, 2020.

Fond de recherche

Photosynthèse artificielle, qui peut être utilisé pour produire de l'énergie chimique (hydrogène combustible) à partir de la lumière du soleil et de l'eau a reçu beaucoup d'attention pour son potentiel de fournir une source d'énergie qui n'émet pas de CO 2 .Les photocatalyseurs sont le composant clé de la photosynthèse artificielle. Le premier matériau photocatalyseur a été découvert et développé par des chercheurs japonais dans les années 1970, et les scientifiques du monde entier se sont continuellement efforcés d'améliorer leur efficacité au cours des 50 dernières années.

La présente étude de recherche a utilisé un titanate de strontium (SrTiO 3 ) photocatalyseur, qui a été développé à l'origine par le professeur contractuel spécial Domen Kazunari et al. de l'Université de Shinshu (un chercheur contribuant à cette étude). À la suite de diverses améliorations apportées par le professeur agrégé de Shinshu HISATOMI Takashi et al. (également chercheur collaborateur), ce matériau photocatalytique a atteint le rendement de réaction le plus élevé (c'est-à-dire l'efficacité de la conversion de l'hydrogène à partir de l'eau via l'éclairage par la lumière ultraviolette) au monde. Le dernier problème restant est d'améliorer l'efficacité de la production d'hydrogène à partir de l'eau et de la lumière du soleil, au lieu de la lumière ultraviolette artificielle. Surmonter ce problème signifierait la naissance du CO 2 -Technologie de production de carburant à hydrogène gratuit qui peut être utilisée par la société.

Cependant, un facteur qui entrave les efforts visant à améliorer l'efficacité de conversion est le faible taux d'oxygène produit à partir de l'eau lorsque l'hydrogène est également produit. Afin de générer de l'hydrogène (H2) à partir de l'eau (H2O) via la photosynthèse artificielle, la réaction chimique suivante doit avoir lieu :2H 2 O → 2H 2 + O 2 . Même si l'objectif est de produire de l'hydrogène (qui peut être utilisé comme carburant par la société) et non de l'oxygène, les principes de la chimie exigent que de l'oxygène soit produit à partir de l'eau en même temps pour que de l'hydrogène soit produit.

Par ailleurs, le processus de génération d'oxygène est plus compliqué que le processus de génération d'hydrogène, ce qui rend par conséquent difficile l'amélioration de l'efficacité de la réaction (les atomes d'oxygène prélevés sur deux H 2 O les particules doivent adhérer les unes aux autres). Il s'agit d'un goulot d'étranglement qui limite la conversion efficace de l'hydrogène à partir de l'eau en utilisant la lumière du soleil.

Une solution serait d'améliorer l'efficacité de la conversion de l'oxygène à partir de l'eau, cependant ce n'est pas simple. On ne comprend pas bien comment l'oxygène est généré à partir de l'eau (c'est-à-dire le mécanisme derrière la réaction), essayer d'améliorer cette réaction revient donc à travailler dans l'obscurité. Afin de faire la lumière sur la situation, cette recherche visait à développer une méthode de détection à grande vitesse pour observer l'oxygène généré par la photosynthèse artificielle afin de révéler le mécanisme derrière la réaction de l'eau à l'oxygène.

Méthodologie de recherche

Cette étude de recherche a utilisé une méthode d'analyse chimique sous-marine utilisant une microélectrode développée par le professeur TAKAHASHI Yasufumi et al. (chercheur collaborateur) comme technologie sous-jacente. L'oxygène généré par le photocatalyseur de photosynthèse artificielle a été détecté alors qu'il se refondait dans l'eau. Comme le montre la figure 1, le panneau photocatalyseur en titanite de strontium a été immergé dans l'eau. La microélectrode, qui consistait en un fil de platine de 20 micromètres (environ ¼ de cheveu humain) avec ses côtés recouverts de verre, a été abaissé dans l'eau à 100 micromètres de la surface du panneau photocatalyseur.

Lorsque le panneau photocatalyseur a été éclairé par une lumière ultraviolette (avec une longueur d'onde de 280 nm) d'une diode électroluminescente, oxygène (O 2 ) et l'hydrogène (H 2 ) ont été dissociés de l'eau où il est entré en contact avec le panneau. Ces molécules d'oxygène et d'hydrogène ont ensuite été libérées dans l'eau. L'oxygène libéré a été dispersé dans l'eau et a atteint la microélectrode. L'oxygène qui a atteint la microélectrode a reçu quatre électrons (e-) de l'électrode entraînant la transformation suivante :O 2 + 2H 2 O + 4e ⁻ → 4OH ⁻ .

Le nombre d'électrons reçus de l'électrode par l'oxygène peut être déterminé en mesurant le courant électrique qui traverse l'électrode. La mesure du courant électrique qui a traversé l'électrode toutes les 0,1 seconde a permis aux chercheurs de calculer la quantité d'oxygène qui a atteint l'électrode toutes les 0,1 seconde. Détection par chromatographie en phase gazeuse, l'appareil d'analyse utilisé jusqu'à présent pour la détection d'oxygène, ne peut mesurer la quantité d'oxygène que toutes les trois minutes. Cette étude a réussi à développer une méthode de détection 1000 fois plus rapide.

Le calcul du temps nécessaire à l'oxygène pour parcourir la distance de 100 micromètres à travers l'eau du panneau photocatalyseur à l'électrode n'est pas difficile. Ceci peut être réalisé en effectuant des simulations numériques sur un ordinateur de bureau, basé sur les lois de diffusion de Fick. La comparaison des résultats de mesure obtenus à partir de la microélectrode avec ceux de la simulation a révélé qu'il y avait un délai d'une à deux secondes entre le panneau photocatalyseur éclairé par la lumière UV et l'oxygène libéré dans l'eau. Ce retard est un nouveau phénomène qui n'a pas pu être observé par détection par chromatographie en phase gazeuse.

On pense que ce retard est une étape préparatoire nécessaire pour que le photocatalyseur illuminé commence à séparer l'eau. Des recherches futures chercheront à vérifier cette hypothèse, en plus d'enquêter sur ce que fait le photocatalyseur pendant la phase préparatoire. Néanmoins, il est prévu que la méthode de détection d'oxygène développée dans cette étude, qui est 1000 fois plus rapide que les méthodes de détection précédentes, conduira à de nouveaux développements dans la photosynthèse artificielle.

Professeur Onishi Hiroshi, École supérieure des sciences, Université de Kobé, dit, "Je suis un spécialiste de la chimie physique, et l'idée de détecter l'oxygène généré via la photosynthèse artificielle à l'aide d'une microélectrode m'est venue en 2015. À l'université de Kobe, nous avons mis en place l'appareil de mesure développé par le professeur Takahashi et al., experts en analyse chimique par microélectrodes, et a commencé à l'appliquer aux photocatalyseurs.

« En améliorant l'appareil et en accumulant le savoir-faire quant à son fonctionnement, nous avons vérifié que cette méthode est capable de mesurer l'oxygène généré à partir du panneau photocatalyseur fourni par le professeur Domen et le professeur agrégé Hisatomi et al., qui font autorité en matière de recherche sur les photocatalyseurs.

"En outre, trois étudiants diplômés de la Graduate School of Science de l'Université de Kobe ont été à la pointe de cette recherche pendant une période de cinq ans allant du développement du programme informatique pour la simulation numérique jusqu'à la découverte du « retard de libération d'oxygène ».

« Les trois équipes ont apporté les spécificités de leurs domaines respectifs de la chimie physique, la chimie analytique et la chimie des catalyseurs au développement de ces recherches. Grâce à cette collaboration, nous avons réussi à apporter une nouvelle perspective à la science de la photosynthèse artificielle."