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Des chercheurs de l’Université de Manchester ont découvert un autre effet physique et inattendu pour le graphène – des membranes qui pourraient être utilisées dans des dispositifs pour imiter artificiellement la photosynthèse. Les nouveaux résultats d’une étude ont démontré une augmentation de la vitesse à laquelle le matériau conduit des protons lorsqu’il est simplement éclairé par la lumière du soleil.

Plusieurs applications

L’effet «photo-proton», tel qu’il a été baptisé, pourrait être exploité pour concevoir des dispositifs capables de capter directement l’énergie solaire pour produire de l’hydrogène, un carburant vert prometteur. Il pourrait également présenter un intérêt pour d’autres applications, telles que la séparation de l’eau induite par la lumière, la photo-catalyse et la fabrication de nouveaux types de photodétecteurs hautement efficace.

Le graphène est une feuille d’atomes de carbone d’un seul atome d’épaisseur et possède de nombreuses propriétés physiques et mécaniques. C’est un excellent conducteur d’électrons et peut absorber la lumière de toutes les longueurs d’onde. Les chercheurs ont récemment constaté qu’il est également perméable aux protons thermiques (les noyaux des atomes d’hydrogène), ce qui signifie qu’il pourrait être utilisé comme une membrane conductrice de protons dans diverses applications technologiques.

Pour découvrir comment la lumière affecte le comportement des protons qui traversent une feuille de graphène, une équipe dirigée par le Dr Marcelo Lozada-Hidalgo et le professeur Sir Andre Geim ont fabriqué des membranes de graphène vierge et les ont enduit de nanoparticules de platine. Les scientifiques de Manchester ont été surpris de constater que la conductivité des protons de ces membranes avait augmentée de 10 fois lorsqu’ils étaient éclairés par la lumière du soleil.

Produire de l’hydrogène dans un système photosynthétique artificiel 

Dr Lozada-Hidalgo a déclaré: « L’application la plus intéressante est la production d’hydrogène dans un système photosynthétique artificiel basé sur ces membranes. » Le professeur Geim est également optimiste:

Il s’agit essentiellement d’un nouveau système expérimental dans lequel les protons, les électrons et les photons sont tous emballés ensemble dans un volume atomiquement mince. Je suis sûr qu’il y a plusieurs nouvelles propriétés physiques à découvrir, ainsi que de nouvelles applications qui suivront.

Les scientifiques du monde entier se penchent sur la façon d’utiliser directement l’énergie solaire pour produire des carburants renouvelables (comme l’hydrogène) en imitant la photosynthèse des plantes. Ces «feuilles» artificielles nécessiteront des membranes aux propriétés très sophistiquées – notamment une conductivité mixte électron-proton, une perméabilité aux gaz, une robustesse mécanique et une transparence optique.

Actuellement, les chercheurs utilisent un mélange de protons et de polymères conducteurs d’électrons pour fabriquer de telles structures, mais ceux-ci nécessitent des compromis importants qui pourraient être plus efficace en utilisant le graphène.

En utilisant des mesures électriques et la spectrométrie de masse, les chercheurs expliquent qu’ils ont mesuré une photoresponsivité d’environ 104 A/W, ce qui se traduit par environ 5000 molécules d’hydrogène se formant en réponse à chaque photon solaire (particule lumineuse) incident sur la membrane. C’est un nombre énorme si on le compare aux dispositifs photovoltaïques existants où des milliers de photons sont nécessaires pour produire une seule molécule d’hydrogène.

Un taux de perméation des protons

« Nous savions que le graphène absorbait la lumière sur l’ensemble du spectre des fréquences, et qu’il était également perméable aux protons, mais nous n’avions aucune raison de nous attendre à ce que les photons absorbés par ce matériau augmentent le taux de perméation des protons », explique Lozada-Hidalgo. .

« Le résultat est encore plus surprenant lorsque nous nous sommes rendu compte que la membrane était beaucoup plus sensible à la lumière que les appareils spécifiquement conçus pour être sensibles à la lumière. Des exemples de tels dispositifs comprennent des photodiodes commerciales ou celles fabriquées à partir de matériaux 2D.  »

De l’électricité et de l’hydrogène comme sous-produit

Les photodétecteurs recueillent généralement la lumière pour produire de l’électricité, mais les membranes de graphène produisent de l’électricité et, comme sous-produit, de l’hydrogène. La vitesse à laquelle ils répondent à la lumière dans la plage de microsecondes est plus rapide que la plupart des photodiodes commerciales.

Source : The University of Manchester