Pour lutter contre le changement climatique, il est impératif de passer des combustibles fossiles à des sources d'énergie propres et durables. Un candidat populaire à cet égard est l'hydrogène, un carburant écologique qui ne produit que de l'eau lorsqu'il est utilisé. Cependant, les méthodes efficaces de production d'hydrogène ne sont généralement pas respectueuses de l'environnement. L'alternative écologique consistant à séparer l'eau avec la lumière du soleil pour produire de l'hydrogène est inefficace et souffre d'une faible stabilité du photocatalyseur (matériau qui facilite les réactions chimiques en absorbant la lumière). Comment aborder la question du développement d'un photocatalyseur stable et efficace ?

Dans une étude publiée récemment dans Catalyse appliquée B :Environnement , un groupe international de scientifiques, dirigé par le professeur assistant Yeonho Kim de l'Université nationale d'Incheon en Corée, a répondu à cette question et a rendu compte des performances des nanotiges de sulfure de zinc (ZnS) revêtues de polydopamine (PDA) en tant que photocatalyseur, qui a montré une augmentation de la production d'hydrogène de 220 % par rapport au catalyseur ZnS seul ! De plus, il a affiché une stabilité décente, conservant près de 79 % de son activité après avoir été irradié pendant 24 heures. Le Dr Kim décrit la motivation de leur recherche, "Le ZnS a diverses applications photochimiques car il peut générer rapidement des porteurs de charge électrique sous la lumière du soleil. Cependant, la lumière du soleil provoque également l'oxydation des ions sulfure conduisant à la photocorrosion du ZnS. Récemment, Des études ont montré que les revêtements PDA à épaisseur contrôlée sur un photocatalyseur peuvent améliorer l'efficacité de conversion de l'énergie solaire et améliorer la photostabilité. Mais, jusque là, aucune étude n'a abordé les changements physico-chimiques à l'interface ZnS/PDA. Par conséquent, nous voulions étudier l'effet de la liaison au PDA sur les performances photocatalytiques du ZnS."

Les scientifiques ont fabriqué les nanocatalyseurs de ZnS revêtus de PDA par polymérisation pour enrober de la dopamine sur des nanotiges de ZnS, et fait varier la période de polymérisation pour créer des échantillons de trois épaisseurs de PDA différentes :1,2 nm (ZnS/PDA1), 2,1 nm (ZnS/PDA2), et 3,5 nm (ZnS/PDA3). Ils ont ensuite mesuré les performances photocatalytiques de ces échantillons en surveillant leur production d'hydrogène sous un éclairage solaire simulé.

Le catalyseur ZnS/PDA1 a montré le taux de production d'hydrogène le plus élevé suivi du ZnS/PDA2, ZnS non revêtu, et ZnS/PDA3. L'équipe a attribué les performances inférieures du ZnS/PDA2 et du ZnS/PDA3 à une plus grande absorption de la lumière par les revêtements PDA plus épais, qui réduisait la lumière atteignant le ZnS et empêchait les porteurs de charge excités d'atteindre la surface ; ZnS non revêtu, au contraire, a subi une photocorrosion.

Pour comprendre le rôle de la structure électronique dans le rehaussement observé, les scientifiques ont mesuré les spectres d'émission et d'extinction des échantillons ainsi que les calculs de la théorie fonctionnelle de la densité. La première a révélé que l'absorption accrue était due à la formation d'enveloppes de Zn-O ou d'O-Zn-S sur le ZnS et à la création de niveaux d'énergie près de la bande de valence (niveau atomique le plus élevé rempli d'électrons) qui peuvent accepter des « trous » (absence de électrons), tandis que les calculs ont montré que le ZnS/PDA possède une structure électronique unique « doublement décalée » qui facilite le transport et la séparation des porteurs de charge à la surface. L'amélioration de la durabilité était due à la diminution de la capacité d'oxydation des trous dans les états de valence du PDA.

Le Dr Kim et son équipe espèrent des applications plus larges de leur technique. "Le revêtement de polydopamine utilisé dans notre travail est également applicable à d'autres groupes de séléniure, borure, et catalyseurs à base de tellurure, " commente le Dr Kim.

L'avenir pourrait bien être l'hydrogène.