Un photocatalyseur exploite la lumière infrarouge pour produire de l’hydrogène solaire

Les solutions durables pour la production d’énergie solaire prennent un nouveau tournant avec le développement d’un photocatalyseur capable de capter l’énergie solaire dans des longueurs d’onde jusqu’alors inexplorées. Fruit de la collaboration entre des chercheurs de l’Institut de Technologie de Tokyo et de l’Université Nationale Yang Ming Chiao Tung, cela ouvre des idées nouvelles pour l’exploitation de l’énergie solaire.

La lumière solaire, avec son spectre allant de l’ultraviolet au visible et jusqu’à l’infrarouge, recèle un potentiel énergétique considérable. Toutefois, la majorité de cette énergie, notamment celle véhiculée par les longueurs d’onde proches de l’infrarouge (NIR), reste largement sous-exploitée en raison de l’absence de matériaux photosensibles adaptés. Les chercheurs ont relevé ce défi en développant un photocatalyseur innovant Au@Cu7S4 yolk@shell, sensible à la fois aux longueurs d’onde visibles et NIR.

Les nanostructures de Au et Cu7S4 présentent une caractéristique optique particulière, la résonance plasmonique de surface localisée (LSPR), qui peut être ajustée pour absorber un large spectre de longueurs d’onde, du visible au NIR. Cette propriété a été exploitée pour améliorer significativement les capacités photocatalytiques des nanocristaux Au@Cu7S4, grâce à leurs structures nano yolk@shell.

Une efficacité photocatalytique remarquable

« L’espace confiné à l’intérieur de la coquille creuse a amélioré la cinétique de diffusion moléculaire, augmentant ainsi les interactions entre les espèces réactives. De plus, la mobilité des particules de jaune a joué un rôle crucial dans l’établissement d’un environnement réactionnel homogène, car elles étaient capables d’agiter efficacement la solution réactionnelle », explique le Dr Chen. Grâce à ces mécanismes, le photocatalyseur a atteint un rendement quantique de pointe de 9,4 % dans la gamme visible (500 nm) et un rendement quantique record de 7,3 % dans la gamme NIR (2200 nm) pour la production d’hydrogène, sans nécessiter de co-catalyseurs pour améliorer les réactions de production d’hydrogène.

Vers une plateforme photocatalytique durable

Cette étude présente une plateforme photocatalytique durable pour la génération de carburant solaire, dotée de capacités de production d’hydrogène remarquables et sensible à un large spectre de lumière. Elle met en lumière le potentiel d’exploitation des propriétés LSPR de l’Au et du Cu7S4 pour la capture efficace de l’énergie NIR jusqu’alors inexploitée. « Nous sommes optimistes que nos découvertes encourageront des recherches supplémentaires sur l’ajustement des propriétés LSPR de semi-conducteurs auto-dopés non stœchiométriques, dans le but de créer des photocatalyseurs réactifs sur un large spectre pour diverses applications solaires », concluent le Dr Hsu et le Dr Chang.

Légende illustration : L’Au et le Cu7S4 présentent tous deux une résonance plasmonique de surface localisée qui peut capter des photons dans le visible et le proche infrarouge. (Image : Tokyo Tech)

Article : « Dual-plasmonic Au@Cu7S4 yolk@shell nanocrystals for photocatalytic hydrogen production across visible to near infrared spectral region » – DOI: s41467-023-44664-3