Dans un premier temps, un photocatalyseur sensibilisé par un colorant qui facilite l'activité de séparation de l'eau solaire la plus efficace enregistrée à ce jour (pour des catalyseurs similaires) a été optimisé par des chercheurs de Tokyo Tech. Leur catalyseur nanofeuillet modifié en surface et sensibilisé par un colorant présente un potentiel immense, car il peut supprimer le transfert indésirable d'électrons inverses et améliorer jusqu'à cent fois l'activité de séparation de l'eau.

L'un des moyens les plus simples de scinder les molécules d'eau en hydrogène consiste à utiliser des photocatalyseurs. Ces matériaux, qui sont des semi-conducteurs capables d'absorber la lumière et d'effectuer simultanément des réactions de séparation de l'eau, offrent une configuration simple pour la production de masse d'hydrogène. Les semi-conducteurs peuvent générer une paire électron-trou pour la réaction de séparation de l'eau; cependant, étant donné que les porteurs de charge ont tendance à se recombiner, un système photocatalytique "Z-scheme" impliquant deux matériaux semi-conducteurs et un médiateur d'électrons a été développé pour supprimer cela.

Dans cette configuration, le médiateur d'électrons, qui est généralement une paire accepteur/donneur d'électrons réversible (comme I₃ ^- /Je ^- ), accepte les électrons de l'un des photocatalyseurs et les donne à l'autre. Cela sépare les porteurs de charge entre les semi-conducteurs. Malgré l'élimination de la recombinaison de charge dans le semi-conducteur, les espèces acceptant les électrons (I₃ ^- ) est en concurrence avec le photocatalyseur à hydrogène pour les électrons, ce qui entraîne de faibles rendements de conversion de l'énergie solaire en hydrogène.

Pour améliorer la production d'hydrogène, une équipe de chercheurs internationaux, dont le professeur adjoint spécialement nommé Shunta Nishioka et le professeur Kazuhiko Maeda de l'Institut de technologie de Tokyo (Tokyo Tech), a travaillé sur les moyens d'empêcher le transfert d'électrons involontaire. En expérimentant avec des photocatalyseurs au niobate sensibilisés au ruthénium (Ru) (Ru/Pt/HCa₂ Nb₃ O₁₀ ), les chercheurs ont remarqué que la production d'hydrogène augmente significativement à faible I₃ ^- concentrations. Ces découvertes les ont amenés à développer un système efficace de séparation de l'eau qui se compose d'un photocatalyseur de dégagement d'oxygène et d'une nanofeuille de niobate modifiée sensibilisée au colorant Ru qui fonctionne comme un meilleur photocatalyseur de dégagement d'hydrogène. "Nous avons réussi à améliorer l'efficacité d'un système global de séparation de l'eau à schéma en Z en utilisant un photocatalyseur à nanofeuilles sensibilisé par un colorant modifié en surface", déclare le professeur Maeda. Les résultats de leur étude ont été publiés dans la revue Science Advances .

Pour garder le I₃ ^- concentration dans le système réactionnel faible, a PtO_x /H-Cs-WO₃ photocatalyseur est utilisé comme catalyseur de dégagement d'oxygène. Dans le même temps, Al₂ O₃ et du poly(styrènesulfonate) (PSS) est ajouté pour supprimer le transfert d'électrons inverses du semi-conducteur vers le complexe de Ru oxydé et le I₃ ^- respectivement. Cette conception permet à plus d'électrons de participer à la réaction de dégagement d'hydrogène, ce qui donne le système de séparation de l'eau en schéma Z le plus efficace à ce jour. "La modification de la surface du photocatalyseur à nanofeuilles sensibilisées par un colorant a multiplié par près de 100 l'activité de séparation de l'eau solaire, ce qui la rend comparable aux systèmes photocatalyseurs conventionnels à base de semi-conducteurs", déclare le professeur Maeda.

Le transfert d'électrons arrière étant supprimé, le photocatalyseur développé pourrait également maintenir la production d'hydrogène à de faibles niveaux de lumière, ce qui lui donnerait un avantage sur les autres photocatalyseurs qui nécessitent des intensités lumineuses élevées. De plus, en minimisant l'impact des réactions de transfert d'électrons inverses, les chercheurs ont non seulement établi une nouvelle référence pour les photocatalyseurs sensibilisés par les colorants pour la séparation de l'eau selon le schéma Z, mais ont également jeté les bases pour améliorer d'autres systèmes sensibilisés par les colorants qui sont utilisés pour d'autres réactions importantes telles que le CO₂ réduction. + Explorer plus loin

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