Placements spécifiques de nanocatalyseurs améliorant la division de l'eau en lumière visible

À mesure que la demande mondiale de sources d’énergie neutres en carbone continue d’augmenter, le gaz hydrogène (H2 personnes) produit par fractionnement de l’eau promet une solution idéale. Les photocatalyseurs pourraient absorber la lumière visible, stimuler le mouvement des électrons et la recombinaison, puis produire de l'hydrogène. La recherche a déjà optimisé les demi-réactions individuelles de réduction de l'hydrogène et d'oxydation de l'eau. Cependant, en combinant les deux réactions dans une seule cellule, une étape nécessaire pour2 personnes la production de gaz est une source d'énergie alternative réalisable, reste difficile. Chercheurs Christian Wolff et al., sous la direction de Frank Wurthner et Jacek Stolarczyk, espèrent relever ce défi avec leur nouveau placement de deux co-catalyseurs différents sur un nanorod de sulfure de cadmium (CdS).

Salle pour deux catalyseurs

Le chevauchement des électrons et des trous, la proximité de leurs sites catalytiques respectifs et la séparation maintenue sont tous des facteurs critiques dans la division de l'eau par une seule cellule. Il est également important d'éviter une proximité étroite du catalyseur, car cela conduit à une trempe prématurée, empêchant la production de gaz hydrogène et réduisant finalement l'efficacité globale de l'unité.

Pour surmonter cette difficulté, des chercheurs de l’Université de Würzburg et de l’Université de Munchen ont placé des catalyseurs de réduction et d’oxydation séparés à différents endroits sur un nanorod à semi-conducteur. Des particules efficaces de platine réducteur d'hydrogène au niveau des extrémités des nanorodes servent de «puits d'électrons», tandis que les côtés des nanorodes contiennent de nouveaux catalyseurs d'oxydation du ruthénium moléculaire. Wolff déclare: «L'anisotropie inhérente à la morphologie des nanorodes est particulièrement bien adaptée à un tel processus, fournissant deux types de sites distincts, facilement accessibles et séparés spatialement au niveau des extrémités et de la surface latérale.»

Nouveau placement de co-catalyseur

En particulier, la liaison intentionnelle de chaque catalyseur aux emplacements spécifiques des nanorods est critique. Wolff et al. a utilisé la décomposition thermique du platine pour placer le platine aux extrémités des nanorodes de CdS. Le platine est un agent de réduction de l'hydrogène bien connu, comme le confirme l'analyse par photoluminescence, qui a révélé «un transfert rapide d'électrons vers le platine, ce qui entrave fortement la recombinaison radiative».

L'oxydation de l'eau était plus compliquée. Plus précisément, les chercheurs ont utilisé un catalyseur à base de ruthénium, qui a déjà démontré un excellent mouvement des trous. Dans l'oxydation de l'eau, cependant, ces trous doivent toujours être séparés des embouts revêtus de platine, riches en électrons. Wolff et al. a réalisé ceci en utilisant des groupes dithiocarbamates fonctionnels sur la molécule de ruthénium. Par ligation chimique, les catalyseurs d'oxydation de l'eau se sont ancrés à la surface du nanorod. La photoluminescence a ensuite confirmé que le procédé déposait le catalyseur dans une monocouche.

Caractérisation de l'évolution du gaz de fractionnement de l'eau

Le nanorod doublement décoré a démontré un impressionnant dégagement d'hydrogène. Les échantillons présentaient des taux proches de 16 μmol / heure et dépassaient 20 μm / mol en présence d'un donneur d'électrons sacrificiel.

Le dégagement d'oxygène gazeux s'est également bien comporté, bien que l'oxygène gazeux soit intrinsèquement limité dans la division de l'eau. Des expériences d'étiquetage deutérié ont confirmé que le dégagement d'oxygène résultait de la division de l'eau, ce qui signifie que des réactions secondaires néfastes sont probablement inexistantes. Des comparaisons supplémentaires de dégagement gazeux entre des nanorodes sans ornement et des nanorodes ornées catalytiquement démontrent l'utilité d'inclure à la fois les particules de platine et le complexe à base de ruthénium.

Les détails complets sont rapportés dans Énergie de la nature.

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