Des nanocristaux pour créer des UV à partir du rayonnement solaire

Publié par Redbran le 02/04/2020 à 14:00
Source: CNRS INP
Des physiciens et des chimistes ont mis au point des nanomatériaux capables d'additionner efficacement l'énergie de photons de différentes "couleurs" pour en faire des photons ultra-violets de plus haute énergie capables d'accélérer des réactions chimiques en stimulant (Un stimulant est une substance qui augmente l'activité du système nerveux sympathique facilitant ou améliorant certaines fonctions de...) l'effet photocatalytique.

Pour certains types de réactions chimiques, 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...) agit comme une source d'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.) qui, combinée à un photocatalyseur, permet de démultiplier leur efficacité. C'est le cas pour la photosynthèse (La photosynthèse (grec φῶς phōs, lumière et σύνθεσις sýnthesis, composition) est le processus...) mais aussi pour les réactions en oeuvre dans les revêtements dépolluants - ou autonettoyants, ou encore pour de nombreuses synthèses industrielles. Ces réactions impliquent des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) photocatalytiques qui vont absorber la lumière. Souvent, seuls les UV, soit environ 1 % des photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent, cette...) reçus par la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus...), sont vraiment utilisés pour la réaction. Les recherches ont longtemps porté sur le développement de nouveaux matériaux qui puissent être efficaces sur des gammes de longueurs d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.) plus larges, mais n'ont pas permis de résoudre tous les problèmes rencontrés en terme de synthèse et d'efficacité. Depuis quelques années, une autre stratégie (La stratégie - du grec stratos qui signifie « armée » et ageîn qui signifie « conduire » - est :) est explorée, qui vise à utiliser des matériaux capables de convertir des photons de faible énergie en photons de plus haute énergie. Ces matériaux, dits à "upconversion", connaissent un regain d'intérêt depuis le début des années 2000 avec la possibilité de les synthétiser sous forme nanométrique.


Le nanomatériau (en gris) absorbe des photons de différentes longueurs d'ondes, et les additionnent pour émettre uniquement des photons ultraviolets. © C. Dujardin (ILM, CNRS/Univ. Lyon 1)

En étudiant en détail les phénomènes 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 niveaux d'énergie électronique....), de transfert d'énergie et d'émission au sein de certains de ces matériaux, des physiciens et des chimistes de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel...) lumière matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière occupe de...) (ILM, CNRS/Univ. Lyon 1), en collaboration avec l'Institut de recherches sur l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels, le terme environnement tend actuellement...) et la catalyse (La catalyse est l'action d'une substance appelée catalyseur sur une transformation chimique dans le but de modifier sa vitesse de réaction. Le catalyseur, qui est en général en quantité beaucoup plus faible que les...) de Lyon (IRCELYON, CNRS/Univ. Lyon 1), ont montré qu'ils pouvaient servir de manière très efficace à additionner l'énergie des photons gaspillés pour générer des photons de plus haute énergie, utiles aux photocatalyseurs les plus classiques. Ces résultats sont publiés dans la revue ACS Photonics.

L'idée principale est de combiner plusieurs sources de lumières (laser, diodes) du domaine spectral infrarouge (Le rayonnement infrarouge (IR) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde supérieure à celle de la lumière visible mais plus courte que celle des micro-ondes.) et bleu (Bleu (de l'ancien haut-allemand « blao » = brillant) est une des trois couleurs primaires. Sa longueur d'onde est comprise approximativement entre 446 et 520 nm....) afin de mettre en évidence l'émission UV issue des différentes étapes d'absorption, puis d'étudier la dépendance de cette émission UV à la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est l'eau pure à 4 °C pour les liquides...) de flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens commun. Plus précisément le...) lumineux. Dans les systèmes à "upconversion" classiques utilisant une seule longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de l’objet...) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales....) d'excitation, l'intensité d'excitation doit être très importante pour observer une émission d'UV. En combinant plusieurs faisceaux de couleurs différentes, les chercheurs ont montré que le mécanisme devient linéaire vis-à-vis de chaque longueur d'onde utile et que les intensités nécessaires sont ainsi divisées par 1000. Il en est de même dans le cas d'un éclairage solaire à spectre large. Pour appliquer ces résultats à la photocatalyse, il faut disposer de nanocristaux dont les rendement d'up-conversion sont proches de ceux observés dans les monocristaux. Les chercheurs ont ainsi développé une méthode de synthèse spécifique, utilisant des précurseurs originaux. Ceux-ci doivent notamment être totalement privés d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.), de telle sorte à obtenir des nanocristaux sans groupements OH en surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement...), ces derniers ayant la particularité de diminuer l'émission lumineuse.

Pour la preuve de concept, l'équipe a mis en évidence cet effet à l'aide d'expériences simulant un flux solaire d'une journée ensoleillée: le matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison de propriétés particulières et mise...) dans ces conditions réémet des UV en excès. Ce travail permet d'envisager le développement de nouveaux photocatalyseurs plus efficaces, même en intérieur, permettant de réduire les temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) de production et la quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une collection ou un groupe de choses.) de 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...) utilisé.

Référence

Multicolor Solar Absorption as a Synergetic UV Upconversion Enhancement Mechanism in LiYF4:Yb3+,Tm3+ Nanocrystals. Bhagyesh Purohit, Yannick Guyot, David Amans, Marie-France Joubert, Benoit Mahler, Shashank Mishra, Stephane Daniele, Christophe Dujardin et Gilles Ledoux,ACS Photonics, le 3 décembre 2019.
DOI: 10.1021/acsphotonics.9b01151
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