Diamants synthétiques : la clé pour transformer le CO2 en méthanol ?

Des matériaux à base de diamant pourraient permettre de transformer le CO2 en méthanol ou les molécules de N2 en engrais précieux, en utilisant uniquement l’énergie solaire. Une étude récente du HZB apporte de nouvelles perspectives sur cette possibilité.

Les diamants synthétiques : des matériaux prometteurs

Les diamants synthétiques n’ont pas grand-chose en commun avec leurs homologues naturels utilisés en joaillerie. Souvent opaques et sombres, ils ne sont pas particulièrement spectaculaires.

Ces matériaux présentent toutefois un potentiel intéressant dans diverses applications, telles que les implants cérébraux, les capteurs quantiques, les ordinateurs et les photo-électrodes sans métal pour la conversion photo-électrochimique de l’énergie.

Entièrement durables et composés uniquement de carbone, ils se dégradent peu au fil du temps et peuvent être produits industriellement.

Des photo-électrodes en diamant pour des réactions chimiques complexes

Les matériaux à base de diamant sont adaptés en tant que photo-électrodes sans métal car, lorsqu’ils sont excités par la lumière, ils peuvent libérer des électrons dans l’eau et déclencher des réactions chimiques difficiles à initier autrement.

Un exemple concret est la réduction du CO2 en méthanol, qui transforme le gaz à effet de serre en un carburant précieux. Il serait également intéressant d’utiliser des matériaux à base de diamant pour convertir le N2 en engrais azoté NH3, en consommant beaucoup moins d’énergie que le procédé Haber-Bosch.

Nouvelles découvertes sur les propriétés des diamants synthétiques

Une étude récente menée par le groupe du Dr Tristan Petit au HZB apporte de nouvelles informations sur les propriétés des matériaux à base de diamant.

Le Dr Arsène Chemin, chercheur postdoctoral dans l’équipe de Petit, a étudié des échantillons de matériaux à base de diamant produits au Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics à Fribourg. Les échantillons ont été conçus pour faciliter la réaction de réduction du CO2 : dopés au bore pour assurer une bonne conductivité électrique et nanostructurés pour augmenter l’émission de porteurs de charge tels que les électrons.

Chemin a utilisé quatre méthodes spectroscopiques aux rayons X à BESSY II pour caractériser la surface de l’échantillon et l’énergie nécessaire pour exciter des états électroniques de surface spécifiques. Il a ensuite mesuré l’émission photoélectrique des électrons des échantillons, soit dans l’air, soit dans un liquide.

En combinant ces résultats, il a pu dresser pour la première fois un tableau complet des processus qui se déroulent à la surface de l’échantillon après excitation par la lumière.

Des résultats encourageants pour l’utilisation des diamants synthétiques

« De manière surprenante, nous avons constaté presque aucune différence dans l’émission photoélectrique des charges dans le liquide, que les échantillons soient oxydés ou non« , déclare Arsène Chemin.

Cela montre que les matériaux à base de diamant sont bien adaptés pour une utilisation dans des solutions aqueuses. L’excitation avec de la lumière visible est également possible : dans le cas des échantillons dopés au bore, une lumière violette (3,5 eV) suffit pour exciter les électrons.

« Ces résultats sont une excellente raison d’être optimiste« , ajoute Arsène Chemin : « Avec les matériaux à base de diamant, nous avons une nouvelle classe de matériaux qui peut être explorée et largement utilisée.« 

En synthèse

Les matériaux à base de diamant offrent un potentiel prometteur pour la conversion du CO2 en méthanol et du N2 en engrais, en utilisant uniquement l’énergie solaire. Les recherches menées par le groupe du Dr Tristan Petit au HZB apportent de nouvelles perspectives sur l’utilisation de ces matériaux dans des applications photo-électrochimiques.

Pour une meilleure compréhension

1. Qu’est-ce que les matériaux à base de diamant ont de particulier ?

Les matériaux à base de diamant sont entièrement durables, composés uniquement de carbone et présentent un potentiel intéressant dans diverses applications, notamment en tant que photoélectrodes sans métal pour la conversion photo-électrochimique de l’énergie.

2. Comment les diamants synthétiques peuvent convertir le CO2 en méthanol ?

Lorsqu’ils sont excités par la lumière, les matériaux à base de diamant peuvent libérer des électrons dans l’eau et déclencher des réactions chimiques complexes, comme la réduction du CO2 en méthanol.

3. Quelles sont les découvertes récentes sur les propriétés des diamants synthétiques

Une étude récente du HZB a montré que les matériaux à base de diamant sont bien adaptés pour une utilisation dans des solutions aqueuses et peuvent être excités par de la lumière visible, comme la lumière violette (3,5 eV).

4. Quelles autres applications pourraient bénéficier cette l’utilisation ?

Les matériaux à base de diamant pourraient également être utilisés pour convertir le N2 en engrais azoté NH3, en consommant beaucoup moins d’énergie que le procédé Haber-Bosch, ainsi que dans des applications telles que les implants cérébraux, les capteurs quantiques et les ordinateurs.

5. Quelle est la prochaine étape pour l’exploration des matériaux à base de diamant ?

Les chercheurs continueront à étudier les propriétés et les applications potentielles des matériaux à base de diamant, en se basant sur les résultats encourageants obtenus jusqu’à présent.

Légende illustration principale : Quatre matériaux diamantaires sont présentés ici : Le « diamant noir » composé de carbone polycristallin nanostructuré (en haut à droite), le même matériau avant nanostructuration (en haut à gauche), un monocristal intrinsèque (en bas à gauche) et un monocristal dopé au bore (en bas à droite). Crédit : A. Chemin/HZB

Article : « Surface-mediated charge transfer of photogenerated carriers in diamond » – DOI: 10.1002/smtd.202300423