Le peroxyde d'hydrogène est utilisé dans de nombreuses industries à diverses fins, notamment le blanchiment, le traitement des eaux usées, la stérilisation et même comme carburant de fusée. Parce que le sous-produit du peroxyde d'hydrogène est l'eau, il a été salué comme un produit chimique "vert" et respectueux de l'environnement, mais un examen plus approfondi du processus de production du peroxyde d'hydrogène révèle une histoire plus compliquée. Des problèmes tels que la quantité d'énergie utilisée pour le processus de production et l'extraction des produits chimiques nécessaires ont des impacts environnementaux dramatiques. Alors que la demande mondiale de peroxyde d'hydrogène augmente, les chercheurs tentent de trouver de nouvelles façons de produire du peroxyde d'hydrogène qui soient plus sûres et meilleures pour l'environnement.

Des recherches antérieures ont identifié des techniques utilisant la photocatalyse, l'utilisation de la lumière pour démarrer une réaction chimique, et les électrons chauds, qui sont des électrons à haute énergie qui ont été chargés par la lumière visible et infrarouge, comme solutions alternatives à la production de peroxyde d'hydrogène. La photocatalyse et les électrons chauds ont tous deux été utilisés dans des alternatives d'énergie verte, telles que l'énergie solaire, dans le passé, mais les limitations des deux processus ont empêché leur mise en œuvre pour la production de peroxyde d'hydrogène.

Pour remédier à certaines de ces limitations, des chercheurs de l'Université Jiao Tong de Shanghai ont trouvé des moyens de prolonger la durée de vie des électrons chauds afin que la photocatalyse puisse être utilisée pour produire du peroxyde d'hydrogène dans un processus de production plus sûr et plus propre.

Les résultats ont été publiés le 25 juin dans Nano Research .

L'auteur de l'article, Xinhao Li, professeur à l'École de chimie et de génie chimique de l'Université Jiao Tong de Shanghai, a expliqué certaines des limites de l'utilisation d'électrons chauds dans la production de peroxyde d'hydrogène. "La durée de vie des électrons chauds, généralement sur une échelle de temps de 0,4 à 0,3 picosecondes, ne pouvait pas bien correspondre à l'échelle de temps des réactions chimiques typiques, y compris la réaction de réduction de l'oxygène en peroxyde d'hydrogène. Pour cette raison, il est intéressant de développer des méthodes puissantes pour prolonger la durée de vie des porteurs chauds thermalisés par rapport aux photocatalyseurs bon marché pour la production de peroxyde d'hydrogène en utilisant uniquement de l'eau, de l'air et de la lumière solaire », a déclaré Li.

La méthode pour maintenir l'énergie des électrons chauds proposée par les chercheurs est simple. Une hétérojonction - une combinaison de deux couches différentes de semi-conducteurs - de dioxyde de titane rutile et de graphène est réalisée pour récolter les électrons chauds. Les premiers chercheurs ont exploré des moyens de produire synthétiquement du dioxyde de titane rutile rapidement et efficacement. Il faut 24 heures pour que le processus de transfert de phase par la méthode de broyage convertisse le dioxyde de titane anatase en dioxyde de titane rutile, mais les chercheurs ont pu réduire ce délai à 5 minutes.

La combinaison de dioxyde de titane rutile et de graphène forme une barrière Schottky élevée, essentielle pour prolonger la durée de vie des électrons chauds. Une barrière Schottky se forme entre un métal et un semi-conducteur et agit comme une barrière pour les électrons. Parce que la barrière Schottky entre le dioxyde de titane rutile et le graphène est élevée, elle facilite l'injection d'électrons chauds et empêche les électrons de refluer à travers la barrière. La barrière élevée est obtenue grâce au transfert de phase rapide entre le dioxyde de titane anatase et le dioxyde de titane rutile. Le transfert de phase rapide et la barrière élevée permettent une longue durée de vie de fluorescence et une meilleure efficacité, stimulant la production de peroxyde d'hydrogène en utilisant la lumière visible et proche infrarouge. Les chercheurs soupçonnent que le graphène/dioxyde de titane rutile peut être réutilisé pour au moins six cycles de réactions standard, ce qui le rend encore plus efficace pour produire du peroxyde d'hydrogène.

Quant à la suite, les chercheurs cherchent à simplifier le processus. "Dans les travaux de suivi, nous espérons développer des stratégies plus simples pour optimiser l'hétérostructure de la photocatalyse afin d'améliorer encore l'utilisation des électrons chauds photogénérés. Ce système photocatalytique piloté par des électrons chauds photogénérés sur des hétérojonctions bon marché sans métal noble montre un potentiel significatif un nouveau système de photosynthèse artificielle », a déclaré Li. + Explorer plus loin

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