Comment les nanorods d'or deviennent-ils des électrolyseurs de taille nanométrique ?
Percée dans le suivi spectroscopique de la photo-charge et intérêt pour la conversion de l'énergie solaire
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Pour la première fois, un groupe de recherche de l'université de Potsdam a réussi à suivre et à quantifier en temps réel l'accumulation de charges induite par la lumière sur des nanorods d'or. Un nouveau modèle physique de ce processus, décrivant les nanoparticules comme des condensateurs, est pertinent pour le développement de procédures durables telles que la réduction du CO₂, la division de l'eau et la conversion de l'énergie solaire. La publication "Capacitive photocharging of gold nanorods" a été publiée dans Nature Communications et a été reconnue comme "Editor's Highlight".
Nanorodes d'or entourés de molécules d'eau et d'éthanol. L'illumination des nanorods génère un photovoltage. Cela permet aux bâtonnets d'extraire des électrons de l'eau et de l'éthanol environnants, ce qui entraîne l'accumulation d'électrons sur les bâtonnets (sphères bleues).
Dr. Felix Stete
Les nanorods d'or sont des photocatalyseurs prometteurs qui peuvent utiliser l'énergie lumineuse pour déclencher des réactions chimiques, telles que la conversion du CO₂ en carburants utilisables ou la production d'hydrogène à partir de l'eau. Dans ce processus, les nanorods agissent comme de minuscules antennes qui captent la lumière et la convertissent en oscillations collectives de leurs électrons. Au cours de la réaction, les particules peuvent se charger électriquement. Une équipe de chercheurs de l'université de Potsdam, dirigée par le physicien Wouter Koopman, a, pour la première fois, observé directement comment ce processus de charge se produit et a élaboré un modèle décrivant les mécanismes sous-jacents. Ces résultats ouvrent la voie à un contrôle ciblé des réactions chimiques et des systèmes catalytiques induits par la lumière. À long terme, ces systèmes présentent un large éventail d'applications potentielles - des réacteurs chimiques alimentés par l'énergie solaire aux nouvelles technologies de stockage de l'énergie.
La photocharge est un processus central, mais jusqu'à présent insaisissable, de la photocatalyse avec des particules métalliques de taille nanométrique : sous l'effet de la lumière, des charges excédentaires peuvent s'accumuler, influençant de manière significative les propriétés catalytiques. Dans une étude in situ, l'équipe a pu observer directement cet effet et démontrer que les nanorods d'or se comportent comme des "condensateurs photochimiques" sous exposition à la lumière : ils stockent des électrons à leur surface. En raison du rapport surface/volume important, une quantité substantielle de charge peut s'accumuler dans un espace extrêmement réduit, ce qui entraîne des changements prononcés dans leurs propriétés optiques et chimiques.
"Nous avons pu démontrer directement que la lumière suffit à générer des potentiels électriques entre une seule nanoparticule et son environnement", explique le Dr Felix Stete, auteur principal de l'étude. Lorsque la lumière est absorbée, des paires électron-trou sont créées. Les trous sont transférés aux molécules environnantes, telles que l'éthanol, tandis que les électrons restent sur la particule. "Nos particules se comportent essentiellement comme des électrolyseurs de taille nanométrique, des dispositifs qui divisent l'eau enH2 et O2 à l'aide de l'électricité", explique Wouter Koopman, "sauf qu'elles ne nécessitent pas de source de tension électrique externe". Ce faisant, les chercheurs fournissent un nouveau cadre physique permettant de mieux comprendre et d'optimiser les réactions chimiques induites par la lumière.
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