La séparation de l'eau à l'énergie solaire est un moyen prometteur de générer de l'énergie propre et stockable. Il a maintenant été démontré qu'un nouveau catalyseur basé sur des nanoparticules semi-conductrices facilite toutes les réactions nécessaires à la "photosynthèse artificielle".

À la lumière du changement climatique mondial, il est urgent de développer des moyens efficaces d'obtenir et de stocker de l'électricité à partir de sources d'énergie renouvelables. La division photocatalytique de l'eau en combustible hydrogène et oxygène offre une approche particulièrement intéressante dans ce contexte. Cependant, mise en œuvre efficace de ce processus, qui imite la photosynthèse biologique, est techniquement très difficile, car il s'agit d'une combinaison de processus qui peuvent interférer les uns avec les autres. Maintenant, Les physiciens du LMU dirigés par le Dr Jacek Stolarczyk et le professeur Jochen Feldmann, en collaboration avec des chimistes de l'Université de Würzburg dirigés par le professeur Frank Würthner, ont réussi à démontrer pour la première fois la séparation complète de l'eau à l'aide d'un système catalytique tout-en-un. Leur nouvelle étude paraît dans la revue Énergie naturelle .

Les méthodes techniques pour la division photocatalytique des molécules d'eau utilisent des composants synthétiques pour imiter les processus complexes qui se déroulent au cours de la photosynthèse naturelle. Dans de tels systèmes, les nanoparticules semi-conductrices qui absorbent les quanta de lumière (photons) peuvent, en principe, servir de photocatalyseurs. L'absorption d'un photon génère une particule chargée négativement (un électron) et une espèce chargée positivement connue sous le nom de "trou, " et les deux doivent être spatialement séparés pour qu'une molécule d'eau puisse être réduite en hydrogène par l'électron et oxydée par le trou pour former de l'oxygène. " Si l'on veut seulement générer de l'hydrogène gazeux à partir de l'eau, les trous sont généralement retirés rapidement en ajoutant des réactifs chimiques sacrificiels, " dit Stolarczyk. " Mais pour obtenir une séparation complète de l'eau, les trous doivent être conservés dans le système pour entraîner le lent processus d'oxydation de l'eau. » Le problème réside dans le fait de permettre aux deux demi-réactions d'avoir lieu simultanément sur une seule particule – tout en s'assurant que les espèces de charges opposées ne se recombinent pas. De plus , de nombreux semi-conducteurs peuvent être eux-mêmes oxydés, et ainsi détruit, par les trous chargés positivement.

Nanotiges avec des sites de réaction séparés dans l'espace

"Nous avons résolu le problème en utilisant des nanotiges en sulfate de cadmium, un matériau semi-conducteur, et séparé spatialement les zones sur lesquelles les réactions d'oxydation et de réduction se sont produites sur ces nanocristaux, " explique Stolarczyk. Les chercheurs ont décoré les pointes des nanotiges avec de minuscules particules de platine, qui agissent comme des accepteurs pour les électrons excités par l'absorption lumineuse. Comme le groupe LMU l'avait montré précédemment, cette configuration fournit un photocatalyseur efficace pour la réduction de l'eau en hydrogène. La réaction d'oxydation, d'autre part, se déroule sur les côtés de la nanotige. À cette fin, , les chercheurs du LMU ont attaché aux surfaces latérales un catalyseur d'oxydation à base de ruthénium développé par l'équipe de Würthner. Le composé a été équipé de groupes fonctionnels qui l'ont ancré à la nanotige. "Ces groupes permettent un transport extrêmement rapide des trous vers le catalyseur, ce qui facilite la génération efficace d'oxygène et minimise les dommages aux nanotiges, " dit le Dr Peter Frischmann, l'un des initiateurs du projet à Würzburg.

L'étude a été réalisée dans le cadre du projet interdisciplinaire "Solar Technologies Go Hybrid" (SolTech), qui est financé par l'État de Bavière. "La mission de SolTech est d'explorer des concepts innovants pour la conversion de l'énergie solaire en combustibles non fossiles, " dit le professeur Jochen Feldmann, titulaire de la Chaire de Photonique et Optoélectronique au LMU. « Le développement du nouveau système photocatalytique est un bon exemple de la façon dont SolTech rassemble l'expertise disponible dans diverses disciplines et à différents endroits. Le projet n'aurait pas pu réussir sans la coopération interdisciplinaire entre les chimistes et les physiciens de deux institutions, " ajoute Würthner, qui, avec Feldmann, a lancé SolTech en 2012.