Un regard à l'échelle nanométrique sur un photocatalyseur à la fois durable et très efficace. Cette image au microscope électronique à transmission à haute résolution d'un nanocristal de dioxyde de titane après hydrogénation révèle un désordre artificiel à la surface du cristal, un changement qui permet au photocatalyseur d'absorber la lumière infrarouge.
(PhysOrg.com) -- Un peu de désordre va un long chemin, surtout lorsqu'il s'agit d'exploiter l'énergie du soleil. Des scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département américain de l'Énergie ont brouillé la structure atomique de la couche superficielle de nanocristaux de dioxyde de titane, créer un catalyseur à la fois durable et plus efficace que tous les autres matériaux en utilisant l'énergie du soleil pour extraire l'hydrogène de l'eau.
Leur photocatalyseur, qui accélère les réactions chimiques induites par la lumière, est le premier à allier durabilité et efficacité record, ce qui en fait un concurrent pour une utilisation dans plusieurs technologies d'énergie propre.
Il pourrait offrir un moyen sans pollution de produire de l'hydrogène à utiliser comme vecteur d'énergie dans les piles à combustible. Les piles à combustible ont été considérées comme une alternative aux moteurs à combustion dans les véhicules. Hydrogène moléculaire, cependant, n'existe naturellement sur Terre qu'à de très faibles concentrations. Il doit être extrait de matières premières telles que le gaz naturel ou l'eau, un processus énergivore qui est l'un des obstacles à la mise en œuvre généralisée de la technologie.
« Nous essayons de trouver de meilleures façons de produire de l'hydrogène à partir de l'eau en utilisant le soleil, " dit Samuel Mao, un scientifique de la division des technologies énergétiques environnementales du Berkeley Lab qui a dirigé la recherche. « Dans ce travail, nous avons introduit le désordre dans les nanocristaux de dioxyde de titane, ce qui améliore considérablement sa capacité d'absorption de la lumière et son efficacité dans la production d'hydrogène à partir de l'eau.
Mao est l'auteur correspondant d'un article sur cette recherche qui a été publié en ligne le 20 janvier 2011 en Science Express avec le titre "Augmenter l'absorption solaire pour la photocatalyse avec du noir, Nanocristaux de dioxyde de titane hydrogéné. » Les co-auteurs de l'article avec Mao sont des collègues chercheurs du Berkeley Lab, Xiaobo Chen, Lei Liu, et Peter Yu.
Mao et son groupe de recherche ont commencé avec des nanocristaux de dioxyde de titane, qui est un matériau semi-conducteur utilisé comme photocatalyseur pour accélérer des réactions chimiques, comme l'exploitation de l'énergie du soleil pour fournir des électrons qui divisent l'eau en oxygène et en hydrogène. Bien que durable, le dioxyde de titane n'est pas un photocatalyseur très efficace. Les scientifiques ont travaillé pour augmenter son efficacité en ajoutant des impuretés et en apportant d'autres modifications.
Les scientifiques du Berkeley Lab ont essayé une nouvelle approche. En plus d'ajouter des impuretés, ils ont conçu le désordre dans la structure de réseau atome par atome ordinairement parfaite de la couche de surface des nanocristaux de dioxyde de titane. Ce trouble a été introduit par hydrogénation.
Le résultat est le premier nanocristal manipulé par le désordre. Une transformation était évidente :les nanocristaux de dioxyde de titane habituellement blancs sont devenus noirs, un signe que le désordre machiné a produit l'absorption infrarouge.
Les scientifiques ont également supposé que le trouble avait amélioré les performances du photocatalyseur. Pour savoir si leur intuition était correcte, ils ont immergé des nanocristaux issus de l'ingénierie du désordre dans de l'eau et les ont exposés à une lumière solaire simulée. Ils ont découvert que 24% de la lumière solaire absorbée par le photocatalyseur était convertie en hydrogène, un taux de production environ 100 fois supérieur aux rendements de la plupart des photocatalyseurs semi-conducteurs.
En outre, leur photocatalyseur n'a montré aucun signe de dégradation pendant une période de test de 22 jours, ce qui signifie qu'il est potentiellement suffisamment durable pour une utilisation dans le monde réel.
Le scientifique du Berkeley Lab, Samuel Mao, dirige une équipe de recherche qui cherche des moyens durables de générer de l'hydrogène à utiliser dans les technologies d'énergie propre. Dans un développement unique en son genre, ils ont brouillé la couche superficielle de nanocristaux de dioxyde de titane, un exploit qui a fait passer le matériau du blanc au noir. Il a également créé un photocatalyseur dont l'efficacité dépasse les autres en utilisant l'énergie du soleil pour extraire l'hydrogène de l'eau. (Photo de Roy Kaltschmidt, Affaires publiques du Berkeley Lab)
Son efficacité de référence découle en grande partie de la capacité du photocatalyseur à absorber la lumière infrarouge, ce qui en fait le premier photocatalyseur au dioxyde de titane à absorber la lumière dans cette longueur d'onde. Il absorbe également la lumière visible et ultraviolette. En revanche, la plupart des photocatalyseurs au dioxyde de titane n'absorbent que la lumière ultraviolette, et ceux contenant des défauts peuvent absorber la lumière visible. La lumière ultraviolette représente moins de dix pour cent de l'énergie solaire.
"Plus l'énergie du soleil peut être absorbée par un photocatalyseur, plus les électrons peuvent être fournis à une réaction chimique, qui fait du dioxyde de titane noir un matériau très attractif, " dit Mao, qui est également professeur adjoint d'ingénierie à l'Université de Californie à Berkeley.
Les découvertes expérimentales intrigantes de l'équipe ont été expliquées plus en détail par les physiciens théoriciens Peter Yu et Lei Liu, qui a exploré comment le mélange du réseau d'atomes à la surface du nanocristal via l'hydrogénation modifie ses propriétés électroniques. Leurs calculs ont révélé que le désordre, sous forme de défauts de réseau et d'hydrogène, permet aux photons entrants d'exciter les électrons, qui sautent ensuite à travers un espace où aucun état électronique ne peut exister. Une fois passé ce fossé, les électrons sont libres d'activer la réaction chimique qui divise l'eau en hydrogène et oxygène.
« En introduisant un type spécifique de trouble, des états électroniques mid-gap sont créés accompagnés d'une bande interdite réduite, " dit Yu, qui est également professeur à l'Université de Californie au département de physique de Berkeley. « Cela permet à la partie infrarouge du spectre solaire d'être absorbée et de contribuer à la photocatalyse. »
Cette recherche a été soutenue par l'Office de l'efficacité énergétique et des énergies renouvelables du ministère de l'Énergie. L'imagerie par microscopie électronique à transmission utilisée pour étudier les nanocristaux à l'échelle atomique a été réalisée au Centre national de microscopie électronique, une installation d'utilisateurs nationale située à Berkeley Lab.
