La lumière solaire reçue par la Terre est un mélange de longueurs d'onde allant de l'ultraviolet au visible en passant par l'infrarouge. Chaque longueur d’onde transporte une énergie inhérente qui, si elle est efficacement exploitée, présente un grand potentiel pour faciliter la production d’hydrogène solaire et réduire la dépendance à l’égard de sources d’énergie non renouvelables. Néanmoins, les technologies solaires de production d'hydrogène existantes sont confrontées à des limites dans l'absorption de la lumière sur ce large spectre, notamment en ne parvenant pas à exploiter le potentiel de l'énergie lumineuse proche infrarouge (NIR) qui atteint la Terre.

Des recherches récentes ont identifié que Au et Cu₇ S₄ Les nanostructures présentent une caractéristique optique distinctive connue sous le nom de résonance plasmonique de surface localisée (LSPR).

Il peut être ajusté avec précision pour absorber les longueurs d’onde couvrant le spectre visible au NIR. Une équipe de chercheurs, dirigée par le professeur agrégé Tso-Fu Mark Chang et le maître de conférences Chun-Yi Chen de l'Institut de technologie de Tokyo, ainsi que le professeur Yung-Jung Hsu de l'Université nationale Yang Ming Chiao Tung, a saisi cette possibilité et développé un Au@ innovant. Cu₇ S₄ Yolk@shell nanocristal capable de produire de l'hydrogène lorsqu'il est exposé à la fois à la lumière visible et NIR.

Leurs conclusions sont publiées dans Nature Communications .

"Nous avons réalisé que la production d'hydrogène à large spectre prend de l'ampleur ces derniers jours en tant que source potentielle d'énergie verte. Dans le même temps, nous avons constaté qu'il n'existait actuellement pas beaucoup d'options disponibles pour les photocatalyseurs capables de répondre à l'irradiation NIR", déclarent Dr Hsu et Dr Chang. "Nous avons donc décidé d'en créer une en combinant deux nanostructures prometteuses, à savoir Au et Cu₇ S₄ , avec des fonctionnalités LSPR personnalisables."

L'équipe de recherche a utilisé une réaction d'échange d'ions pour la synthèse de Au@Cu₇ S₄ nanocristaux, qui ont ensuite été analysés par microscopie électronique à transmission à haute résolution, spectroscopie d'absorption des rayons X et spectroscopie d'absorption transitoire pour étudier les propriétés structurelles et optiques.

Ces investigations ont confirmé que Au@Cu₇ S₄ présente une nanostructure jaune@shell dotée de propriétés optiques doubles plasmoniques. De plus, les données de spectroscopie ultrarapide ont révélé que Au@Cu₇ S₄ maintient des états de séparation de charge à longue durée de vie lorsqu'il est exposé à la fois à la lumière visible et NIR, soulignant son potentiel de conversion efficace de l'énergie solaire.

L'équipe de recherche a découvert que les nanostructures jaune@shell inhérentes au Au@Cu₇ S₄ les nanocristaux ont notamment amélioré leurs capacités photocatalytiques.

"L'espace confiné à l'intérieur de la coquille creuse a amélioré la cinétique de diffusion moléculaire, augmentant ainsi les interactions entre les espèces réactives. De plus, la mobilité des particules de jaune a joué un rôle crucial dans l'établissement d'un environnement réactionnel homogène, car elles étaient capables d'agiter efficacement la solution réactionnelle. ", explique le Dr Chen.

Par conséquent, ce photocatalyseur innovant a atteint un rendement quantique maximal de 9,4 % dans le domaine visible (500 nm) et un rendement quantique record de 7,3 % dans le domaine NIR (2 200 nm) pour la production d'hydrogène. De manière distinctive, contrairement aux systèmes photocatalytiques conventionnels, cette nouvelle approche élimine le besoin de co-catalyseurs pour améliorer les réactions de production d'hydrogène.

Dans l’ensemble, l’étude présente une plate-forme photocatalytique durable pour la production de carburant solaire dotée de capacités de production d’hydrogène remarquables et d’une sensibilité à un large spectre de lumière. Il présente le potentiel d'exploitation des propriétés LSPR de Au et Cu₇ S₄ pour la capture efficace de l'énergie NIR jusqu'alors inexploitée.

"Nous sommes optimistes que nos résultats motiveront des recherches plus approfondies sur l'ajustement des propriétés LSPR des semi-conducteurs auto-dopés et non stœchiométriques, dans le but de créer des photocatalyseurs réactifs sur un large spectre pour une variété d'applications alimentées par l'énergie solaire", concluent le Dr Hsu et le Dr. Chang.

Plus d'informations : Chun-Wen Tsao et al, Nanocristaux double-plasmoniques Au@Cu7S4 jaune@shell pour la production photocatalytique d'hydrogène dans la région spectrale visible à proche infrarouge, Nature Communications (2024). DOI :10.1038/s41467-023-44664-3

Informations sur le journal : Communications naturelles

Fourni par l'Institut de technologie de Tokyo