Les chercheurs proposent une nouvelle alternative dans le domaine des photocatalyseurs, particulièrement en termes de rendement et d’économie. Ces catalyseurs solaires vont bien au-delà des limites du spectre ultraviolet, ouvrant de nouvelles perspectives pour l’industrie et la recherche environnementale. Ce qui suit décrit cette innovation qui pourrait redéfinir notre façon de convertir l’énergie solaire.
Le nouveau catalyseur développé par les chercheurs de l’Université de Johannesburg capte environ un tiers du spectre de lumière visible. Contrairement aux photocatalyseurs économiques actuels qui se concentrent principalement sur le spectre UV du soleil, ce matériau innovant propose une utilisation plus complète de l’énergie solaire.
Ce photocatalyseur en poudre se compose de trois éléments principaux : du carbone graphitique (89% de la masse), un calixarène modifié (10%) et un MXene contenant du niobium (1%). Il est simple à fabriquer, ce qui facilite son adoption dans des laboratoires à ressources limitées.
Comparaison avec les métaux nobles
D’autres études ont décrit des photocatalyseurs contenant du palladium, un métal noble, qui utilisent également le spectre visible du soleil. Cependant, ce nouveau matériau utilise des quantités minimes de carbure de niobium pour préparer le troisième composant, un nanomatériau connu sous le nom de MXene.
La principale limite des photocatalyseurs actuels est leur coût élevé, principalement en raison de l’utilisation de métaux comme le platine, le palladium ou l’or. De plus, ils sont majoritairement activés par les rayons UV, qui ne représentent que 5% de l’énergie solaire atteignant la surface de la Terre.
Trois ingrédients, presque sans métal
Pour obtenir un photocatalyseur aussi performant, les chercheurs ont combiné trois « ingrédients » pour la conception finale du photocatalyseur.
« Tout d’abord, environ 89 % de la masse en vrac du photocatalyseur sous forme de poudre est constituée de carbone graphitique, » explique M. Dlamini chercheur au département des sciences chimiques de l’UJ.
Le carbone graphitique est « excité » ou « allumé » par la lumière UV dans la gamme de longueurs d’onde de 200 à 400 nanomètres. Il produit des électrons libres qui peuvent alors déclencher toute une série de processus chimiques », ajoute t-il.
Les chercheurs ont produit cet ingrédient dans l’un des laboratoires de l’UJ.
Le deuxième ingrédient représente environ 10 % de la masse finale. Il s’agit du calixarène, une molécule en forme de coupe.
« Nous avons inclus le calixarène pour que le photocatalyseur puisse ‘attraper’ et décomposer les molécules organiques indésirables, telles que les produits personnels, les médicaments pharmaceutiques et leurs métabolites, ainsi que d’autres substances présentes dans les eaux usées municipales. Les calixarènes sont utilisés depuis des décennies dans les médicaments pharmaceutiques« , explique encore M. Dlamini.
Les chercheurs ont acheté le calixarène dans le commerce et l’ont ensuite modifié.
Le troisième ingrédient est le MXène.
« La principale fonction du MXène est d’empêcher les électrons photogénérés du nitrure de carbone graphitique de se recombiner ou de s’annuler avec les espèces chargées positivement (connues sous le nom de trous) sous l’effet de la lumière visible« , commente pour sa part Makola.
Le MXène qu’ils ont choisi représente environ 1 % de la masse finale. Il contient du carbone et une infime quantité de niobium, un métal relativement peu coûteux.
« Le calixarène et le MXène ont tous deux contribué à déplacer l’absorption de la lumière dans la région visible du spectre solaire », explique M. Makola.
L’Innovation dans les chiffres
Le nouveau photocatalyseur présente une efficacité de conversion photo-chimique de 4,86%, surpassant largement un photocatalyseur à trois composants précédemment documenté (1,81%). Il reste également stable jusqu’à 500 degrés Celsius et présente une stabilité à différents niveaux de pH.
Les domaines d’application sont nombreux, de la décontamination de l’eau à la stérilisation des salles de croissance ou des installations médicales. Les chercheurs testent actuellement son efficacité dans le traitement de polluants organiques dans des échantillons d’eaux usées réelles.
Tableau récapitulatif des points clés
| Éléments | Description |
|---|---|
| Source de la recherche | Université de Johannesburg |
| Publication | Journal of Science: Advanced Materials and Devices |
| Composition du photocatalyseur | Graphite carbon (89%), Calixarene modifié (10%), Niobium-contenant MXene (1%) |
| Spectre de lumière exploité | Environ un tiers du spectre de lumière visible |
| Avantages | Économique, facile à fabriquer, stable |
| Inconvénients actuels | Exploitation limitée à la lumière UV |
| Applications potentielles | Production d’hydrogène, conversion du CO2, traitement de l’eau, stérilisation |
| Stabilité | Stable jusqu’à 500 degrés Celsius, pH 1 à pH 14 |
| Études complémentaires | Tests en cours sur la dégradation de polluants organiques et de résidus pharmaceutiques |
Ce tableau offre une vue d’ensemble des points clés de la recherche sur le nouveau type de photocatalyseur développé par l’Université de Johannesburg.
En Synthèse
L’innovation présentée par l’Université de Johannesburg marque un pas significatif dans la voie de photocatalyseurs plus économiques et polyvalents. Sa capacité à utiliser un spectre plus large de la lumière solaire pourrait conduire à une adoption plus large dans diverses applications industrielles.
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce qu’un photocatalyseur ?
Un photocatalyseur est un matériau qui facilite des réactions chimiques lorsqu’il est activé par la lumière.
Comment ce nouveau photocatalyseur se distingue-t-il ?
Il utilise un tiers du spectre de lumière visible, contrairement aux photocatalyseurs économiques qui se limitent au spectre UV.
De quoi est-il composé ?
Il se compose principalement de carbone graphitique, de calixarène modifié et de MXene contenant du niobium.
Est-il économique à produire ?
Oui, il est composé à 90% d’ingrédients bon marché et est simple à produire.
Quelles sont ses applications potentielles ?
Il peut être utilisé dans la décontamination de l’eau, la stérilisation des installations médicales, et plus encore.
« An insight into a novel calixarene-sensitized Calix@Nb2CTx/g-C3N4 MXene-based photocatalytic heterostructure: Fabrication, physicochemical, optoelectronic, and photoelectrochemical properties » – DOI: 10.1016/j.jsamd.2023.100593
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