Dans un article de la revue Sciences de l'énergie et de l'environnement , chercheurs de l'Université d'Uppsala, Suède, présenter un type de nano-matériau polymère organique à faible coût et respectueux de l'environnement en tant que photocatalyseurs pour la génération d'hydrogène, et proposer le mécanisme de fonctionnement du site réactif photocatalytique.
Le développement de photocatalyseurs pour la production d'hydrogène par la lumière à partir de l'eau est un moyen idéal pour convertir et stocker l'énergie solaire. En raison de l'absorption limitée de la lumière, métal-polluant potentiel et coûteux des catalyseurs inorganiques, les scientifiques ont commencé à chercher une alternative biologique. Dans ce travail, les chercheurs d'Uppsala ont étudié les polymères organiques en tant que photocatalyseurs (catalyseurs alimentés par la lumière). Le goulot d'étranglement de tous les photocatalyseurs organiques existants est qu'ils sont hydrophobes (insolubles dans l'eau), rendant difficile pour les protons de pénétrer dans les pores des matériaux et d'interagir avec les sites réactifs. Par conséquent, les performances de la photocatalyse basée sur ces matériaux sont toujours en deçà de celles des photocatalyseurs inorganiques à base de métaux traditionnels. Les scientifiques doivent ajouter beaucoup de solvant organique dans le réacteur afin d'obtenir une bonne dispensabilité du photocatalyseur polymère organique.
L'utilisation d'une méthode de précipitation à l'échelle nanométrique pour préparer le photocatalyseur polymère organique en petites particules à l'échelle nanométrique (Pdots) peut rendre le photocatalyseur organique bien dispersé dans une solution aqueuse. "Avec l'aide du copolymère hydrophile, nous sommes en mesure de fournir des canaux de protons à l'intérieur du photocatalyseur Pdot pour imiter le système de photosynthèse naturelle. Cela peut considérablement améliorer les performances de la production d'hydrogène », déclare Haining Tian, Docent du Département de Chimie - Laboratoire d'Ångström. Son groupe de recherche a publié le travail de preuve de concept l'année dernière (dans Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55(40), 12306). Afin de mieux comprendre le système et de l'améliorer encore, Haining Tian et son collègue de recherche C. Moyses Araujo du Département de physique-Laboratoire d'Ångström ont conjointement dirigé les travaux visant à déterrer les sites réactifs dans les photocatalyseurs Pdot et le mécanisme de travail photocatalytique.
En ajustant la structure des polymères et en évaluant différents mécanismes photocatalytiques, les chercheurs ont pu trouver approximativement les sites réactifs situés au niveau des unités accepteurs d'électrons et ont conclu que les hétéroatomes devraient jouer un rôle crucial sur la photocatalyse. "Il est difficile d'obtenir expérimentalement des informations précises sur quel hétéroatome, soit N ou S, est le site réactif dans l'unité accepteur d'électrons », explique Haining Tian. Avec l'aide d'une étude informatique basée sur la théorie des premiers principes, les scientifiques ont finalement ciblé le véritable site réactif dans les photocatalyseurs Pdots - les atomes N - et ont également conclu que la structure unique de Pdots est bénéfique pour la réaction de réduction des protons. "La liaison hydrogène formée entre deux polymères dans les photocatalyseurs Pdot abaisse considérablement la barrière énergétique de la réaction de réduction des protons. Les Pdots sont en effet un type de photocatalyseurs idéaux", explique C. Moyses Araujo.
Sur la base de ce travail, les scientifiques visent maintenant un catalyseur Pdots plus efficace et plus stable en ajustant raisonnablement la structure du polymère pour la génération d'hydrogène alimentée par la lumière.
