Une après-midi, Mohammad Islam de l'Université Carnegie Mellon en science et ingénierie des matériaux (MSE) est entré dans le bureau de son collègue Paul Salvador et a demandé quel était le plus gros problème de la photocatalyse qu'il aimerait pouvoir résoudre. Réponse de Salvador :Il aimerait déterminer comment les réactions d'oxydation et de réduction en photocatalyse pourraient être séparées en canaux distincts afin d'augmenter les performances.

Un photocatalyseur, qui utilise l'énergie de la lumière pour accélérer une réaction, facilite généralement deux réactions :une réaction d'oxydation et une réaction de réduction. Ils sont utilisés pour produire de l'hydrogène, dans l'assainissement de l'encrassement biologique de l'environnement, et potentiellement pour tuer les bactéries résistantes aux médicaments.

"Nous fabriquons des nanotubes de carbone ouverts, " a répondu l'Islam, enseignant-chercheur de MSE, « Alors, que diriez-vous de mettre le photocatalyseur à l'extérieur et le cocatalyseur à l'intérieur de chaque nanotube ? »

Salvador, professeur de MSE, a dit qu'il pensait que c'était une solution élégante, mais était-ce possible ?

Ainsi s'est constituée une équipe comprenant l'Islam, Salvador, et professeur MSE et chef de département Greg Rohrer, avec doctorat étudiant Hang-Ah Park, étudiant à la maîtrise Siyuan Liu, et l'ancien postdoctorant Youngseok Oh (actuellement chercheur principal à l'Institut coréen des sciences des matériaux). Récemment, l'équipe a publié un article sur sa nouvelle approche d'optimisation des photocatalyseurs. Comme de nombreux projets de recherche de Carnegie Mellon, le projet a commencé avec un problème qui ne pouvait être résolu que par la collaboration.

Le défi :les photocatalyseurs doivent être bon marché, efficace, et respectueux de l'environnement. Bien que les photocatalyseurs actuels soient peu coûteux, soit ils ont une toxicité élevée, soit ils ne fonctionnent pas bien.

Dans un photocatalyseur, la réaction d'oxydation et la réaction de réduction doivent être optimisées, tout comme l'espace entre ces réactions. Typiquement, un photocatalyseur qui est bon pour effectuer un type de réaction (comme l'oxydation) a un co-catalyseur ajouté qui est bon pour effectuer la réaction opposée (réduction). Bien que cela aide à l'optimisation, les réactions ne sont pas entièrement séparées, et donc, des produits tels que l'hydrogène et l'oxygène sont générés dans le même espace.

"Imaginez que vous ayez une sphère de la taille d'un micromètre connue pour être bonne à l'oxydation, et vous y ajoutez de petits hémisphères co-catalyseurs connus pour être bons en réduction (typiquement 10 nanomètres), " dit Rohrer. " Même si les réactions sont techniquement séparées, ils se produisent toujours à proximité, ce qui diminue les performances du photocatalyseur. Donc, nous les mettons dans des canaux complètement différents."

Ce qui rend leur travail inédit, ce n'est pas la séparation complète des canaux, ce qui est bien connu dans les cellules photoélectrochimiques standard (PEC), mais qu'ils ont ramené un PEC à l'échelle nanométrique, développé des réseaux massivement parallèles de ces PEC nanométriques, et maintenu une séparation complète.

"C'est une idée très simple, " dit Salvador. " Beaucoup d'entre nous ont fait des expériences de laboratoire au lycée ou au collège en utilisant des PEC traditionnels, qui séparent les produits dans deux grands béchers. Nous avons pris cet énorme PEC du laboratoire de chimie et l'avons ramené à l'échelle nanométrique, puis nous en avons fabriqué des milliers qui fonctionnent en parallèle. Dans ce processus, nous avons trouvé de nouveaux comportements fondamentaux intéressants des matériaux, y compris une activité élevée en lumière visible, et a vu une performance phénoménale qui a de nombreuses applications."

Une grande application des photocatalyseurs est l'assainissement de l'encrassement biologique, ou enlever les organismes comme les balanes et les algues de surfaces telles que les tuyaux. Une autre application est de tuer les bactéries résistantes aux médicaments. De nombreux hôpitaux, par exemple, utiliser des peintures chargées d'oxyde de titane et irradiées aux rayons UV pour désinfecter les murs ou autres surfaces. Mais avec la nouvelle méthode photocatalytique, ils peuvent utiliser la lumière visible, ce qui est beaucoup plus sûr. Finalement, pendant la génération d'hydrogène, leurs photocatalyseurs suppriment le mélange des gaz produits, une avancée importante.

"La question est maintenant, pourquoi est-ce que ça va beaucoup mieux ? » dit Islam. « Pourquoi est-il devenu photoactif dans la lumière visible alors que je fais ça avec des nanotubes de carbone et du titane ? Quels sont les paramètres que nous pouvons modifier pour l'améliorer ? C'est dans cette direction que nous allons."