Des capteurs de lumière moins chers, moins toxiques et recyclables pour la production d'hydrogène
Publié par Adrien le 12/04/2018 à 00:00
Source: CNRS
Mimer la photosynthèse des plantes pour convertir, grâce à la lumière, des molécules stables et abondantes comme l'eau et le CO2 en carburant hautement énergétique (l'hydrogène) ou en produits chimiques d'intérêt pour l'industrie, est aujourd'hui un défi majeur de la recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique...). La réalisation d'une photosynthèse (La photosynthèse (grec φῶς phōs, lumière et σύνθεσις sýnthesis,...) artificielle en solution reste cependant limitée par l'utilisation, pour capturer la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est intimement...), de composés à base de métaux coûteux et toxiques. Des chercheurs du CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public...), du CEA et de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux États-Unis, au moment où...) Grenoble Alpes proposent une alternative efficace avec des nanocristaux semi-conducteurs (ou "quantum (En physique, un quantum (mot latin signifiant « combien » et qui s'écrit « quanta » au pluriel) représente la plus petite mesure...) dots"), à base de cuivre (Le cuivre est un élément chimique de symbole Cu et de numéro atomique 29. Le cuivre pur est plutôt mou, malléable, et...), d'indium et de soufre (Le soufre est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole S et de numéro atomique 16.), des métaux moins onéreux et moins toxiques. Ces travaux sont publiés dans Energy & Environmental Science le 10 avril 2018.


© Damien Jouvenot, Département de chimie moléculaire (CNRS/Université Grenoble Alpes).

Dans les systèmes de photosynthèse artificielle, les chromophores, ou "photosensibilisateurs", absorbent l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) lumineuse et transfèrent les électrons au catalyseur (En chimie, un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d'une réaction chimique ; il participe à la réaction mais il ne fait partie ni des produits, ni des réactifs et n'apparaît donc pas dans l'équation-bilan de...), qui active la réaction chimique. Alors que de nombreux progrès ont été réalisés ces dernières années dans le développement de catalyseurs sans métaux nobles, les photosensibilisateurs reposent encore, pour la plupart, sur des composés moléculaires à base de métaux rares et coûteux, comme le ruthénium ou l'iridium (L'iridium est un élément chimique de symbole Ir et de numéro atomique 77.), ou sur des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) semi-conducteurs inorganiques contenant du cadmium (Le cadmium est un élément chimique de symbole Cd et de numéro atomique 48.), un métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques ainsi que des liaisons ioniques dans le cas des métaux alcalins. Les métaux sont un...) toxique.

Pour la première fois, des chercheurs du Département de chimie moléculaire (CNRS/Université Grenoble Alpes) et du SyMMES (CNRS/CEA/Université Grenoble Alpes) (1) ont démontré, en combinant leurs expertises en ingénierie (L'ingénierie désigne l'ensemble des fonctions allant de la conception et des études à la responsabilité de la construction et au contrôle des équipements d'une installation technique ou industrielle.) des matériaux semi-conducteurs et en photocatalyse, qu'il est possible de produire très efficacement du dihydrogène en associant des nanocristaux semi-conducteurs (ou "quantum dots") inorganiques constitués d'un coeur de sulfure (En chimie, un sulfure est un composé chimique ou la combinaison de soufre avec un degré d'oxydation de -2, avec un autre élément chimique ou un de ses...) de cuivre et d'indium, protégé d'une coquille de zinc (Le zinc (prononciation /zɛ̃k/ ou /zɛ̃ɡ/) est un élément chimique, de symbole Zn et de numéro atomique 30.) et de soufre, à un catalyseur (En chimie, un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d'une réaction chimique ; il participe à la réaction mais il ne fait partie ni des produits, ni des réactifs...) moléculaire à base de cobalt. Ce dispositif "hybride (En génétique, l'hybride est le croisement de deux individus de deux variétés, sous-espèces (croisement intraspécifique), espèces...)" combine les excellentes propriétés d'absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise par une autre entité, par exemple, un atome qui fait une transition entre deux...) de la lumière visible (La lumière visible, appelée aussi spectre visible ou spectre optique est la partie du spectre électromagnétique qui est visible pour l'œil humain.) et la stabilité des semi-conducteurs inorganiques à l'efficacité des catalyseurs moléculaires. En présence d'un excès de vitamine C (La vitamine C est une vitamine hydrosoluble sensible à la chaleur et à la lumière.), qui fournit les électrons au système, il montre une activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) catalytique remarquable dans l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.), la meilleure obtenue à ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par rapport à minuit heure locale) et sa...) avec des "quantum dots" sans cadmium. Les performances de ce système sont bien supérieures à celles obtenues avec un photosensibilisateur à base de ruthénium, grâce à la très grande stabilité de ses matériaux inorganiques, qui peuvent être recyclés plusieurs fois sans perte notable d'activité.

Ces résultats mettent en évidence le grand potentiel de tels systèmes hybrides pour la production d'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) issue de l'énergie solaire (L'énergie solaire est l'énergie que dispense le soleil par son rayonnement, directement ou de manière diffuse à travers l'atmosphère. Sur Terre, l'énergie solaire est à l'origine du cycle de l'eau et...).

Notes:

(1) Au travers d'un projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours...) collaboratif financé par le Labex Arcane de Grenoble.
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