Les plantes ont besoin d’engrais azotés, généralement à base d’ammoniac. L’ammoniac est donc l’un des produits chimiques les plus importants. Cependant, sa production est actuellement extrêmement énergivore. Une équipe internationale de la TU Wien et de l’Université de Soochow en Chine a maintenant développé un nouveau catalyseur capable de convertir le nitrate des eaux usées en ammoniac de manière beaucoup plus efficace qu’auparavant – alimenté par la lumière du soleil et environ 1,5 volt.
Fait crucial, non seulement la lumière solaire absorbée est utilisée pour stimuler la réaction chimique, mais la chaleur générée dans le processus peut également être utilisée pour la même réaction. De cette façon, la lumière du soleil a un double effet et l’efficacité est considérablement augmentée.
Un matériau spécial pour une production d’ammoniac plus économe en énergie
« Convertir la lumière solaire en énergie chimique en utilisant des catalyseurs appropriés est une stratégie bien développée », explique le professeur Günther Rupprechter de l’Institut de chimie des matériaux de la TU Wien. « Le problème est que la plupart du temps, une grande partie de l’énergie solaire est immédiatement perdue sous forme de chaleur, et seule une petite partie de l’énergie est réellement utilisée pour la réaction chimique souhaitée. »
Pour changer cela, l’équipe a combiné plusieurs effets d’une manière inhabituelle : dans un nouveau matériau, la lumière, la chaleur et l’électricité interagissent de manière optimale. L’équipe a combiné le MXène (prononcé « Maxeen »), un matériau spécial composé principalement de carbone et de titane, avec des nanoparticules d’or. Le MXène est constitué de lamelles, de couches atomiquement minces parallèles les unes aux autres, qui agissent comme des « nanoantennes » et capturent la lumière. Les nanoparticules d’or sont le lieu où se produit la réaction chimique proprement dite.
Différents effets amènent les électrons à la particule d’or
Les lamelles de MXène ont des propriétés électroniques très spéciales : « Lorsque la lumière du soleil tombe sur ces lamelles, les électrons du matériau oscillent collectivement d’avant en arrière, comme une balançoire », explique Günther Rupprechter. « Ces oscillations sont appelées plasmons. »
L’énergie de ce mouvement de balancement doit maintenant être transportée vers les nanoparticules d’or. Cela se produit par deux effets différents : premièrement, des électrons individuels peuvent être fortement accélérés, qui se déplacent alors à grande vitesse. Deuxièmement, un effet de température important entre également en jeu : « Les plasmons chauffent le MXène, et lorsque le matériau chauffe, la chaleur se répand le long de la direction des lamelles », expliquent Xingda An et Le He de l’Université de Soochow. Les nanoparticules d’or, en revanche, sont plus froides – et une énergie supplémentaire peut être obtenue de cette différence de température. L’effet Seebeck garantit que la différence de température entre le MXène et l’or met en mouvement des électrons supplémentaires. Une tension appliquée de l’ordre d’une pile AA contribue également.
C’est nouveau : l’énergie thermique joue normalement un rôle plutôt subordonné dans les photocatalyseurs. Cependant, en raison du couplage spécial du MXène et de l’or, l’énergie thermique est responsable de 57 % de la réactivité dans ce cas.
Des tests très concluants
Alexander Genest de la TU Wien a réalisé des simulations informatiques qui peuvent être utilisées pour expliquer l’effet de ce transport d’électrons : « Les molécules de nitrate sont polarisées directement sur les nanoparticules d’or », dit-il. « Et c’est exactement ce qui rend la production d’ammoniac beaucoup plus facile. La quantité d’énergie nécessaire pour cela est ainsi considérablement réduite. »
« Notre catalyseur MXène-or a atteint une production d’ammoniac de 2,1 moles par gramme de catalyseur par heure – c’est une valeur très élevée qui promet un grand potentiel pour les applications industrielles », déclare Günther Rupprechter.
Article : Thermoelectrics-Mediated Photon-Phonon-Electron Coupling Enables Unconventional Thermal Contributions in Plasmonic Catalysis – Journal : Advanced Functional Materials – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude
Source : TU Wien
