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Un photocatalyseur à semi-conducteurs organiques qui améliore considérablement la production d’hydrogène gazeux pourrait mous mener à des technologies de stockage de l’énergie plus efficaces.

Produire de l’hydrogène avec un photocatalyseur à semi-conducteurs organiques 

L’utilisation de combustibles fossiles entraîne un changement climatique dangereux, ce qui pousse la recherche de sources d’énergies renouvelables plus propres. L’énergie solaire est de loin la source d’énergie renouvelable la plus abondante, mais pour en exploiter le potentiel, il faut trouver un moyen de la stocker en vue d’une utilisation ultérieure.
Une méthode standard de stockage de l’énergie solaire consiste à utiliser les liaisons chimiques de l’hydrogène moléculaire à l’aide de photocatalyseurs d’évolution de l’hydrogène (HEPs). Actuellement, la plupart des HEPs sont fabriqués à partir de semi-conducteurs inorganiques monocomposants. Ceux-ci ne peuvent absorber la lumière qu’aux longueurs d’onde ultraviolettes, ce qui limite leur capacité à produire de l’hydrogène.
Une équipe dirigée par Iain McCulloch du Centre solaire KAUST, en partenariat avec des chercheurs des États-Unis et du Royaume-Uni, a maintenant développé des HEPs fabriqués à partir de deux matériaux semi-conducteurs différents. Ils ont incorporé ces matériaux dans des nanoparticules organiques qui peuvent être réglées pour absorber une plus grande partie du spectre de la lumière visible.

« Traditionnellement, les semi-conducteurs inorganiques ont été utilisés pour des applications photocatalytiques », explique Jan Kosco, premier auteur de cette étude. « Cependant, ces matériaux absorbent principalement la lumière UV, qui représente moins de cinq pour cent du spectre solaire. Par conséquent, leur efficacité est limitée ».

Les étapes pour produire ce photocatalyseur

L’équipe a d’abord utilisé une méthode appelée miniémulsion, dans laquelle une solution de semi-conducteurs organiques est émulsifiée dans l’eau à l’aide d’un agent tensioactif stabilisateur. Ensuite, ils ont chauffé l’émulsion pour retirer le solvant, laissant derrière eux des nanoparticules de semi-conducteurs organiques stabilisées par un surfactant.
En faisant varier le tensioactif, ils ont pu contrôler la structure des nanoparticules, les transformant d’une structure noyau-enveloppe à une structure mixte donneur-accepteur. Cette structure mixte leur a permis d’introduire une hétérojonction entre les couches du polymère donneur et de l’accepteur non fulllène.
« Ces deux structures absorbent la lumière au même rythme », explique Kosco, « mais dans la structure coeur-coquille, seuls les trous photogénérés atteignent la surface; en revanche, dans la structure mixte, les trous et les électrons atteignent la surface des nanoparticules, ce qui entraîne une meilleure génération d’hydrogène.
Ces HEPs ont montré des taux de génération d’hydrogène d’un ordre de grandeur supérieur à ce qui est actuellement réalisable avec les HEPs inorganiques à un seul composant. Cela jette les bases des technologies de stockage de l’énergie de la prochaine génération.

Des photocatalyseurs pour d’autres réactions photocatalytiques

« Nous étudions actuellement les performances des nanoparticules formées à partir de différents mélanges de semi-conducteurs afin de mieux comprendre leurs relations structure-activité », explique M. McCulloch. « Nous cherchons à concevoir des photocatalyseurs de nanoparticules pour d’autres réactions photocatalytiques, telles que la génération d’oxygène ou la régénération du dioxyde de carbone ».
Cette recherche a été publiée dans Nature Materials.
Source : King Abdullah University of Science and Technology
Crédit photo : Pixabay