(Phys.org) — Une technique d'ingénierie unique à l'échelle atomique pour transformer des nanoparticules « blanches » photocatalytiques à faible efficacité de dioxyde de titane en nanoparticules « noires » à haute efficacité pourrait être la clé des technologies énergétiques propres basées sur l'hydrogène.

Samuel Mao, un scientifique qui occupe des postes conjoints avec la division Environmental Energy Technologies de Berkeley Lab et l'Université de Californie à Berkeley, dirige le développement d'une technique d'ingénierie du désordre dans la structure nanocristalline du dioxyde de titane semi-conducteur. Cela rend les cristaux naturellement blancs de couleur noire, un signe que les cristaux sont maintenant capables d'absorber la lumière infrarouge ainsi que la lumière visible et ultraviolette. Le spectre d'absorption élargi améliore considérablement l'efficacité avec laquelle le dioxyde de titane noir peut utiliser la lumière du soleil pour diviser les molécules d'eau pour la production d'hydrogène.

"Nous avons démontré que les nanoparticules de dioxyde de titane noir sont capables de générer de l'hydrogène grâce à des réactions photocatalytiques solaires avec une efficacité record, " a déclaré Mao lors d'une conférence lors de la réunion nationale de l'American Chemical Society (ACS) à la Nouvelle-Orléans.

"La synthèse de nanoparticules de dioxyde de titane noir était basée sur un processus d'hydrogénation dans lequel des nanocristaux de dioxyde de titane blanc ont été soumis à de l'hydrogène gazeux à haute pression, " a déclaré Mao. " La structure désordonnée unique crée un photocatalyseur à la fois durable et efficace, et donne du dioxyde de titane, l'un des matériaux les plus étudiés de tous les oxydes, un potentiel renouvelé."

La promesse de l'hydrogène dans les batteries ou les carburants est une source d'énergie propre et renouvelable qui n'exacerbe pas le changement climatique mondial. Le défi est de le produire en masse de manière rentable. Bien qu'il soit l'élément le plus abondant de l'univers, l'hydrogène pur est rare sur Terre parce que l'hydrogène se combine avec à peu près n'importe quel autre type d'atome. L'utilisation de l'énergie solaire pour diviser la molécule d'eau en hydrogène et oxygène est le moyen idéal pour produire de l'hydrogène pur. Cette, cependant, nécessite un photocatalyseur efficace que l'eau ne corrode pas. Le dioxyde de titane peut résister à l'eau mais jusqu'à ce que les travaux de Mao et de son groupe n'absorbent que la lumière ultraviolette, qui représente à peine dix pour cent de l'énergie solaire.

Dans son discours sur l'ACS, intitulé « Ingénierie des troubles :noircir les nanoparticules de dioxyde de titane, " Mao a décrit comment il a développé le concept de " l'ingénierie des troubles, " et comment l'introduction de troubles hydrogénés crée des états d'énergie à mi-bande au-dessus du maximum de la bande de valence pour améliorer la mobilité de l'hydrogène. Ses études n'ont pas seulement donné un nouveau photocatalyseur prometteur pour générer de l'hydrogène, mais ont également contribué à dissiper certaines croyances scientifiques largement répandues.

"Nos tests ont montré qu'un bon photocatalyseur semi-conducteur ne doit pas nécessairement être un monocristal avec des défauts et des niveaux d'énergie minimes juste en dessous du bas de la bande de conduction, " dit Mao.

Les études de caractérisation à la source lumineuse avancée de Berkeley Lab ont également permis de répondre à la question de savoir quelle quantité d'hydrogène détecté dans leurs expériences provient de la réaction photocatalytique, et combien provient de l'hydrogène absorbé dans l'oxyde de titane au cours du processus de synthèse par hydrogénation.

"Nos mesures indiquent que seule une très petite quantité d'hydrogène est absorbée dans le dioxyde de titane noir, environ 0,05 milligramme, par rapport aux 40 milligrammes d'hydrogène détectés lors d'une expérience de production d'hydrogène solaire de 100 heures, " dit Mao.