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De l'eau transformée en carburant grâce à la lumière du soleil

Grâce à l'enveloppe européenne, des chercheurs ont réalisé de nouveaux matériaux hybrides semiconducteurs de nanocarbone/inorganiques pour la photocatalyse. Un assemblage contrôlé de blocs de construction nanoscopiques et l'ingénierie interfaciale ont permis d'améliorer le transfert de charge et le rendement photocatalytique.
De l'eau transformée en carburant grâce à la lumière du soleil
La nature sert souvent d'inspiration pour les entreprises scientifiques. L'utilisation de la lumière du soleil dans les appareils photosynthétiques artificiels en vue de produire de l'hydrogène moléculaire (H2), par exemple pour une utilisation dans les piles à combustible, fait l'objet de recherches constantes. Les systèmes photocatalytiques dissocient les molécules d'eau en H2 et en oxygène. De nouveaux matériaux plus efficaces, stables et moins coûteux sont nécessaires.

Des chercheurs ont étudié les nanomatériaux hybrides composés de carbone nanostructurés et de semiconducteurs inorganiques dans le cadre du projet CARINHYPH (Bottom-up fabrication of nano carbon-inorganic hybrid materials for photocatalytic hydrogen production), financé par l'UE. L'équipe a sélectionné des nanotubes de carbone et de graphène de grande qualité, qu'elle a fonctionnalisés en vue d'une intégration au composé inorganique par le biais d'une croissance in situ dans différentes structures: des membranes et fibres de nanocarbone avec revêtement inorganique, des hybrides gyroïdes mésoporeux et des structures électrofilées.

Les nanocarbones tels que les nanotubes de carbone et le graphène font état d'une excellente mobilité pour le transport de charge. Ils présentent une grande surface et une bonne conductivité électrique. Ils élargissent la plage d'absorption de la lumière des hybrides et augmentent ainsi la quantité d'énergie solaire absorbée pour la réaction photocatalytique. Par ailleurs, la durée de vie des paires électron-trou chez les hybrides est plus longue que celle des matériaux inorganiques purs, ce qui permet d'augmenter les rendements photocatalytiques.

Un aspect principal du projet concerne l'ingénierie interfaciale et la possibilité de l'utiliser comme mécanisme pour le contrôle des processus de transfert de charge entre les hybrides, ce qui augmenterait la durée de vie des charges et le rendement photocatalytique. Le projet a permis d'optimiser les séquences synthétiques pour y parvenir. Les techniques de pointe en matière de spectroscopie ont fourni des perspectives uniques sur les propriétés électroniques à la jonction du nanocarbone et du semiconducteur inorganique, fournissant ainsi les éléments permettant d'adapter les parcours synthétiques.

Pour tester l'efficacité photocatalytique de ces hybrides, les chercheurs les ont intégrés à des structures macroscopiques. Les résultats ont fait état d'une production record de H2 sous un rayon ultraviolet de gyroïdes Ta2O5 mésoporeux avec et sans co-catalyseurs de platine. Les nanocarbones ont montré qu'ils pouvaient améliorer l'activité photocatalytique lorsqu'ils sont ajoutés par petites doses.

À court terme, le projet CARINHYPH contribuera à une conception et une synthèse rationnelles des hybrides nanostructurés, et à de meilleures performances catalytiques pour le secteur de l'énergie durable. Il s'agit notamment de l'électrolyse de l'eau, de sa purification, de photo-électrochimie et d'appareils photovoltaïques. À long terme, ces systèmes hybrides nanostructurés contribueront à la résolution des défis énergétiques de l'UE.

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Mots-clés

Graphène, nanotubes de carbone, photocatalytique, hydrogène, CARINHYPH, matériaux hybrides