19.08.2022 - Tokyo Institute of Technology

Un nouveau photocatalyseur accroît l'efficacité de la séparation de l'eau pour la production d'hydrogène propre

Pour la première fois, des chercheurs de Tokyo Tech ont optimisé un photocatalyseur sensibilisé par des colorants qui facilite l'activité solaire de séparation de l'eau la plus efficace enregistrée à ce jour (pour des catalyseurs similaires). Leur catalyseur à feuille nanométrique modifié en surface et sensibilisé par un colorant présente un immense potentiel, car il peut supprimer le transfert indésirable d'électrons en retour et améliorer l'activité de séparation de l'eau jusqu'à cent fois !

L'un des moyens les plus simples de séparer les molécules d'eau en hydrogène est d'utiliser des photocatalyseurs. Ces matériaux, qui sont des semi-conducteurs capables d'absorber la lumière et d'effectuer simultanément des réactions de division de l'eau, constituent une configuration simple pour la production massive d'hydrogène. Les semi-conducteurs peuvent générer une paire électron-trou pour la réaction de séparation de l'eau ; cependant, comme les porteurs de charge ont tendance à se recombiner, un système photocatalytique à "schéma en Z" impliquant deux matériaux semi-conducteurs et un médiateur d'électrons a été développé pour supprimer ce phénomène.

Dans cette configuration, le médiateur d'électrons, qui est généralement une paire accepteur/donneur d'électrons réversible (comme I3-/I-), accepte les électrons d'un des photocatalyseurs et les donne à l'autre. Cela sépare les porteurs de charge entre les semi-conducteurs. Malgré l'élimination de la recombinaison des charges à l'intérieur du semi-conducteur, l'espèce qui accepte les électrons (I3-) entre en compétition avec le photocatalyseur d'hydrogène pour les électrons, ce qui entraîne de faibles rendements de conversion de l'énergie solaire en hydrogène.

Afin d'améliorer la production d'hydrogène, une équipe de chercheurs internationaux, dont le professeur adjoint spécialement nommé Shunta Nishioka et le professeur Kazuhiko Maeda de l'Institut de technologie de Tokyo (Tokyo Tech), a travaillé sur les moyens d'empêcher le transfert involontaire d'électrons. En expérimentant avec des photocatalyseurs de niobate sensibilisés par des colorants au ruthénium (Ru) (Ru/Pt/HCa2Nb3O10), les chercheurs ont remarqué que la production d'hydrogène augmente de manière significative à de faibles concentrations de I3-. Ces résultats les ont amenés à développer un système efficace de séparation de l'eau, composé d'un photocatalyseur d'évolution de l'oxygène et d'une feuille de niobate modifié sensibilisé au colorant Ru, qui fonctionne comme un meilleur photocatalyseur d'évolution de l'hydrogène. "Nous avons réussi à améliorer l'efficacité d'un système global de séparation de l'eau à schéma en Z en utilisant un photocatalyseur à feuille de niobate sensibilisé par un colorant modifié en surface", explique le professeur Maeda. Les résultats de leur étude ont été publiés dans la revue Science Advances.

Pour maintenir la concentration de I3- dans le système de réaction à un niveau faible, un photocatalyseur PtOx/H-Cs-WO3 est utilisé comme catalyseur d'évolution de l'oxygène. En même temps, Al2O3 et le poly(styrénesulfonate) (PSS) sont ajoutés pour supprimer le transfert d'électrons en retour du semi-conducteur vers le complexe Ru oxydé et l'ion I3-, respectivement. Cette conception permet à un plus grand nombre d'électrons de participer à la réaction d'évolution de l'hydrogène, ce qui donne lieu au système de séparation de l'eau à schéma en Z le plus efficace à ce jour. "La modification de la surface du photocatalyseur à nanofeuillets sensibilisés par des colorants a permis de multiplier par près de 100 l'activité solaire de séparation de l'eau, ce qui le rend comparable aux systèmes photocatalytiques classiques à base de semi-conducteurs", explique le professeur Maeda.

Le transfert d'électrons en retour étant supprimé, le photocatalyseur mis au point pourrait également maintenir la production d'hydrogène à de faibles niveaux de lumière, ce qui lui confère un avantage par rapport à d'autres photocatalyseurs qui nécessitent des intensités lumineuses élevées. De plus, en minimisant l'impact des réactions de transfert d'électrons en retour, les chercheurs ont non seulement établi une nouvelle référence pour les photocatalyseurs sensibilisés aux colorants pour la division de l'eau selon le schéma Z, mais ils ont également posé le cadre pour améliorer d'autres systèmes sensibilisés aux colorants qui sont utilisés pour d'autres réactions importantes telles que la réduction duCO2.

Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.

Faits, contextes, dossiers
  • hydrogène
  • photocatalyseurs
  • production d'hydrogène
Plus sur Tokyo Institute of Technology