Les chercheurs de l’Université norvégienne des sciences et de la technologie (NTNU) ont découvert un moyen de fabriquer des nanoparticules d’or de taille et de forme uniformes, ouvrant la voie à la découverte de photocatalyseurs plus efficaces.
La pollution organique, telle que les colorants, les produits chimiques agricoles et les produits pharmaceutiques, pénètre dans les cours d’eau du monde entier et peut nuire à l’environnement et à la santé humaine. Sa suppression est souvent une tâche extrêmement ardue.
Les photocatalyseurs, qui absorbent l’énergie de la lumière et l’utilisent pour accélérer le taux d’une réaction chimique, peuvent décomposer ces polluants organiques en un processus appelé minéralisation, les convertissant en eau, dioxyde de carbone et autres molécules inoffensives. Cependant, il y a un hic : la plupart des photocatalyseurs nécessitent de la lumière UV pour fonctionner, ce qui les rend coûteux et peu pratiques à utiliser à grande échelle.
Pour résoudre ce problème, les chercheurs se sont lancés à la recherche d’un photocatalyseur capable d’exploiter une plus grande partie du spectre solaire. « Si vous pouvez utiliser la lumière solaire, elle est moins coûteuse et beaucoup plus disponible que la lumière UV« , explique Magnus Rønning, professeur en catalyse au Département de génie chimique de la NTNU.
La clé des nanoparticules d’or
Les disques nanométriques de bismuthite, un minéral, sont un photocatalyseur prometteur. Les chercheurs ont découvert qu’en ajoutant des nanoparticules d’or à leur surface, leur sensibilité à la partie visible du spectre solaire est augmentée. Cependant, la plupart des méthodes de dépôt de ces nanoparticules d’or sur une surface offrent un contrôle limité sur la taille et la forme des particules obtenues.
« Souvent, vous obtenez une distribution de tailles et de formes que vous ne pouvez pas vraiment contrôler, de sorte que vous avez un mélange de tiges, de sphères et de cubes« , note Rønning.
Aujourd’hui, Rønning et ses collègues de la NTNU ont trouvé un moyen de créer des nanoparticules d’or de taille et de forme uniformes sur la surface des nanodisques de bismuthite. Leur recherche, récemment publiée dans le journal Photochemical and Photobiological Sciences et financée en partie par le Conseil de recherche de Norvège, ouvre la voie à l’étude de l’effet de la taille et de la forme des nanoparticules sur la performance du catalyseur, ce qui rend possible l’optimisation de sa capacité à capter la lumière.
Tester différentes formes de nanoparticules
Les chercheurs ont utilisé de petites graines d’or comme sites de nucléation pour faire pousser des nanoparticules d’or de différentes formes – tiges, tiges gravées à surface rugueuse, et sphères – en ajustant la concentration et le pH de la solution dans laquelle les particules poussaient.
Ces nanoparticules ont une couche tensioactive à leur surface, qui réduit la probabilité qu’elles se regroupent, avant d’être déposées sur les nanodisques de bismuthite.
« Avec cela, nous pouvons garder un contrôle raisonnablement bon sur la taille et la forme de ces particules« , explique Rønning. Les échantillons ont été préparés et caractérisés par Jibin Antony, candidat au doctorat dans le NanoLab de la NTNU, les réactions catalytiques elles-mêmes ayant été réalisées dans les laboratoires du groupe de catalyse du département de génie chimique.
Des tests prometteurs
Les chercheurs ont testé l’efficacité du photocatalyseur résultant pour décomposer un polluant organique connu sous le nom de bleu de méthylène. Non seulement c’est un contaminant organique répandu, mais c’est aussi un cas test utile pour voir comment un photocatalyseur fonctionnera sur d’autres polluants.
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« C’est assez représentatif comme contaminant organique, mais c’est aussi une molécule relativement complexe« , note Rønning. « S’il fonctionne sur le bleu de méthylène, il devrait aussi bien fonctionner sur d’autres matières organiques. »
Un autre avantage de l’utilisation du bleu de méthylène est que sa décomposition est déjà bien comprise, permettant aux chercheurs de sonder non seulement combien de bleu de méthylène reste à la fin du processus, mais aussi en quoi il a été converti.
Si Rønning et ses collègues n’ont pas examiné ce point dans leur travail sur les nanoparticules d’or, dans un article connexe, les chercheurs ont vu que l’ajout de silice aux nanodisques de bismuthite modifiait les produits de dégradation du bleu de méthylène. « Au final, vous voulez une minéralisation complète et non une simple conversion en quelque chose d’aussi dangereux ou indésirable que le bleu de méthylène« , explique Rønning.
Les tiges sont meilleures que les sphères
Rønning et ses collègues ont découvert que le photocatalyseur doté de nanoparticules d’or en forme de tiges était 14% plus performant que celui doté de sphères. Mais il reste encore des progrès à faire. « Même après trois heures de réaction, il reste encore une partie du contaminant« , précise Rønning. « Alors, oui, ça fonctionne. Mais nous avons encore besoin de quelque chose qui fonctionne mieux. »
Certains photocatalyseurs sont déjà utilisés commercialement dans les systèmes de traitement des eaux usées et de purification de l’air. La technologie présente également un intérêt pour la dissociation de l’hydrogène – la production de carburant à l’hydrogène bon marché en utilisant simplement de l’eau et de la lumière solaire. Cependant, pour rendre cela possible, les chercheurs doivent trouver un moyen de rendre les catalyseurs beaucoup plus efficaces qu’ils ne le sont aujourd’hui.
L’amélioration clé nécessaire pour de meilleurs photocatalyseurs repose sur le nombre de photons réellement utilisés pour stimuler la réaction. « Dans les bons cas, c’est peut-être 1%« , dit Rønning. « Si nous pouvons augmenter ce pourcentage à, disons, 10%, nous serons beaucoup plus près des applications pratiques. »
Bien que la modification de la taille et de la forme des nanoparticules d’or soit peu susceptible d’entraîner une telle augmentation massive de l’efficacité, c’est un début. « Nous devons améliorer le catalyseur pour que cela soit viable commercialement« , conclut Rønning. « C’est un pas dans cette direction. »
Référence : Antony, J., Bandyopadhyay, S., Yang, J. et al. Optimiser l’anisotropie de forme des nanoparticules d’or pour une meilleure captation de la lumière et des applications photocatalytiques. Photochem Photobiol Sci (2022). https://doi.org/10.1007/s43630-022-00351-8
Photo / YAY
