Des scientifiques de l'Université Rice et de l'Université de Houston ont créé un catalyseur à partir de trois éléments :le fer, de manganèse et de phosphore, puis l'enduit uniformément sur un réseau de nanotiges de dioxyde de titane pour créer une photoanode très efficace pour la photosynthèse artificielle. Crédit :Whitmire Research Group/Rice University
Les scientifiques de l'Université Rice ont créé un système efficace, catalyseur à dégagement d'oxygène simple à fabriquer qui se marie bien avec les semi-conducteurs pour la séparation solaire de l'eau, la conversion de l'énergie solaire en énergie chimique sous forme d'hydrogène et d'oxygène.
Le labo de Kenton Whitmire, un Rice professeur de chimie, s'est associé à des chercheurs de l'Université de Houston et a découvert que la croissance d'une couche d'un catalyseur actif directement sur la surface d'un réseau de nanotiges absorbant la lumière produisait un matériau de photosynthèse artificielle qui pouvait diviser l'eau au plein potentiel théorique du semi-conducteur absorbant la lumière avec la lumière du soleil.
Un catalyseur de dégagement d'oxygène sépare l'eau en hydrogène et oxygène. Trouver une source propre et renouvelable de carburant hydrogène est au centre de recherches approfondies, mais la technologie n'a pas encore été commercialisée.
L'équipe Rice a trouvé un moyen de combiner trois des métaux les plus abondants :le fer, le manganèse et le phosphore en un précurseur qui peut être déposé directement sur n'importe quel substrat sans l'endommager.
Pour montrer le matériel, le laboratoire a placé le précurseur dans son four de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) personnalisé et l'a utilisé pour enrober un ensemble de matériaux absorbant la lumière, nanotiges semi-conductrices de dioxyde de titane. Le matériau combiné, appelé photoanode, a montré une excellente stabilité tout en atteignant une densité de courant de 10 milliampères par centimètre carré, les chercheurs ont rapporté.
Une photo montre un réseau de nanotiges de dioxyde de titane avec un revêtement uniforme de fer, catalyseur au manganèse et au phosphore. La combinaison développée par des scientifiques de l'Université Rice et de l'Université de Houston est une photoanode très efficace pour la photosynthèse artificielle. Crédit :Whitmire Research Group/Rice University
Les résultats apparaissent dans deux nouvelles études. La première, sur la création des films, apparaît dans Chimie :une revue européenne . La deuxième, qui détaille la création de photoanodes, apparaît dans ACS Nano .
Whitmire a déclaré que le catalyseur est cultivé à partir d'un précurseur moléculaire conçu pour le produire lors de la décomposition, et le processus est évolutif. Le laboratoire Rice a combiné du fer, du manganèse et du phosphore (FeMnP) en une molécule qui se transforme en gaz lorsque le vide est appliqué. Lorsque ce gaz rencontre une surface chaude via CVD, il se décompose pour recouvrir une surface avec le catalyseur FeMnP.
Les chercheurs affirment que leur film est "le premier film mince de phosphure hétérobimétallique" créé à partir de fer, le manganèse et le phosphore qui commence comme un seul précurseur. Les films résultants contiennent des réseaux hexagonaux stables d'atomes qui, jusqu'à maintenant, n'avait été observé qu'à des températures supérieures à 1, 200 degrés Celsius. Les films de riz ont été créés à 350 degrés C en 30 minutes.
"Les températures supérieures à 1, 200 C détruisent le réseau de semi-conducteurs, " a déclaré Whitmire. "Mais ces films peuvent être réalisés à basse température, leur permettant de recouvrir et d'interagir uniformément avec le photo-absorbeur et de créer une électrode hybride."
Les chercheurs ont recouvert les réseaux tridimensionnels de nanotiges de dioxyde de titane avec le film d'aspect métallique. Le matériau composite a montré un potentiel en tant que semi-conducteur à grande surface pour les cellules photoélectrochimiques.
Andrew Leitner, chercheur postdoctoral à l'Université Rice, prépare un catalyseur d'évolution de l'oxygène. Lorsqu'il est uniformément appliqué à un semi-conducteur, le film catalyse la séparation solaire de l'eau pour la production d'énergie et d'autres applications. Crédit :Jeff Fitlow/Université Rice
La croissance du revêtement de métal de transition directement sur les nanotiges permet un contact maximal entre les deux, dit Whitmire. "Ce métallique, l'interface conductrice entre le semi-conducteur et la surface catalytique active est la clé du fonctionnement de ce dispositif, " il a dit.
Le film a également des propriétés ferromagnétiques, dans laquelle les moments magnétiques des atomes s'alignent dans la même direction. Le film a une température de Curie basse, la température à laquelle les propriétés magnétiques de certains matériaux doivent être induites. Cela pourrait être utile pour la réfrigération magnétique, les chercheurs ont dit.
Ayant établi leur technique, Whitmire a déclaré qu'il serait désormais beaucoup plus facile d'étudier des catalyseurs hybrides pour de nombreuses applications, y compris la production pétrochimique, conversion d'énergie et réfrigération.
"Il semble que quand il pleut, ça coule, " a-t-il dit. " Nous avons passé beaucoup de temps à tout assembler, et maintenant, tout d'un coup, il y a trop de choses à faire."
