Les chimistes ont trouvé un nouveau, méthode plus efficace pour effectuer des réactions induites par la lumière, ouvrant une autre voie possible pour exploiter la lumière du soleil pour l'énergie. Le journal Science publie la nouvelle méthode, qui est basé sur le plasmon - un mouvement spécial d'électrons impliqué dans les propriétés optiques des métaux.

"Nous avons découvert une façon nouvelle et inattendue d'utiliser le métal plasmonique qui a un potentiel d'utilisation dans la conversion de l'énergie solaire, " dit Tim Lian, professeur de chimie physique à l'Université Emory et auteur principal de la recherche. "Nous avons montré que nous pouvons récolter les électrons de haute énergie excités par la lumière dans le plasmon, puis utiliser cette énergie pour faire de la chimie."

Le plasmon est un mouvement collectif d'électrons libres dans un métal qui absorbe et diffuse fortement la lumière. L'un des exemples les plus frappants de plasmon de surface peut être vu dans les vitraux complexes de certaines cathédrales médiévales, un effet obtenu grâce aux nanoparticules d'or qui absorbent et diffusent la lumière visible. Le plasmon est hautement accordable :la variation de la taille et de la forme des nanoparticules d'or dans le verre contrôle la couleur de la lumière émise.

La science moderne explore et affine l'utilisation de ces effets plasmoniques pour une gamme d'applications potentielles, de l'électronique à la médecine et aux énergies renouvelables.

Le laboratoire de Lian, qui se spécialise dans l'exploration du transfert de charge induit par la lumière pour la conversion de l'énergie solaire, ont expérimenté des façons d'utiliser le plasmon pour rendre ce processus plus efficace et durable.

L'or est souvent utilisé comme catalyseur, une substance pour conduire des réactions chimiques, mais pas comme photocatalyseur :un matériau pour absorber la lumière et ensuite faire de la chimie avec l'énergie fournie par la lumière.

Lors de la photocatalyse, un métal absorbe fortement la lumière, exciter rapidement beaucoup d'électrons. « Imaginez que des électrons se balancent de haut en bas dans le métal, " dit Lian. " Une fois que vous les excitez à ce niveau, ils s'écrasent tout de suite. Toute l'énergie est libérée sous forme de chaleur très rapidement - en picosecondes."

Les chercheurs voulaient trouver un moyen de capturer l'énergie des électrons excités avant qu'elle ne soit libérée sous forme de chaleur, puis d'utiliser des électrons chauds pour alimenter les réactions.

Par l'expérimentation, ils ont découvert que le couplage de nano-tiges de séléniure de cadmium, un semi-conducteur, à une pointe de nanoparticule d'or plasmonique a permis aux électrons excités dans l'or de s'échapper dans le matériau semi-conducteur.

"Si vous utilisez un matériau avec un certain niveau d'énergie qui peut fortement se lier au plasmon, alors les électrons excités peuvent s'échapper dans le matériau et rester au niveau d'énergie élevé, " dit Lian. " Nous avons montré que vous pouvez récolter des électrons avant qu'ils ne s'écrasent et se détendent, et combiner la propriété catalytique du plasmon avec sa capacité d'absorption de la lumière."

Au lieu d'utiliser la chaleur pour faire de la chimie, ce nouveau procédé utilise des métaux et de la lumière pour faire de la photochimie, ouvrir un nouveau, potentiellement plus efficace, méthode d'exploration.

"Nous cherchons maintenant à trouver d'autres accepteurs d'électrons qui fonctionneraient dans ce même processus, comme une molécule ou un catalyseur moléculaire à la place du séléniure de cadmium, " dit Lian. " Cela ferait de ce processus un schéma général avec de nombreuses applications potentielles différentes. "

Les chercheurs souhaitent également déterminer si la méthode peut conduire plus efficacement à l'oxydation de l'eau par la lumière. L'utilisation de la lumière du soleil pour diviser l'eau afin de produire de l'hydrogène est un objectif majeur dans la quête d'une énergie solaire abordable et durable.

« Utiliser la lumière solaire illimitée pour déplacer les électrons et exploiter la puissance catalytique est un défi difficile, mais nous devons trouver des moyens de le faire, " dit Lian. " Nous n'avons pas le choix. L'énergie solaire est la seule source d'énergie qui peut soutenir la population humaine croissante sans impact environnemental catastrophique. »