Nouveau type de visible

28 août 2023

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relire

par l'Université de Johannesburg

Des chercheurs de l'Université de Johannesburg ont développé un nouveau type de photocatalyseur qui exploite la partie visible du spectre solaire. Actuellement, les photocatalyseurs économiques et respectueux de l'environnement « utilisent » uniquement le spectre UV de la lumière solaire, par exemple le dioxyde de titane couramment utilisé et d'autres équivalents proches.

La recherche est publiée dans Journal of Science : Advanced Materials and Devices.

Le photocatalyseur est le premier photocatalyseur à trois composants possédant ces propriétés photocatalytiques spécifiques. Il est composé à près de 90 % d’ingrédients économiques disponibles dans le commerce et suffisamment simple pour être produit à grande échelle dans des laboratoires aux ressources limitées.

Dans d'autres études de recherche, un photocatalyseur contenant du palladium (Pd), un métal noble, a été décrit, qui « utilise » également le spectre visible de la lumière solaire.

En revanche, le photocatalyseur de cette étude utilise de petites quantités de carbure de métal de transition mineur, le niobium, pour préparer le troisième composant, un nanomatériau appelé MXène.

Le carbure de niobium MXène a été utilisé dans un large éventail d'applications photocatalytiques telles que la génération d'hydrogène et la conversion du dioxyde de carbone en produits de valeur.

Sous forme de poudre, le photocatalyseur est également extrêmement stable sous des températures, une humidité et des variations chimiques élevées.

Réduire la consommation d’énergie dans les processus industriels de masse peut s’avérer délicat. Mais que se passerait-il si une grande partie de l'énergie électrique consommée pouvait être « récupérée » par le soleil ?

Les photocatalyseurs peuvent être « activés » par la lumière du soleil et d’autres formes de lumière. Ceux-ci peuvent alors faciliter les processus chimiques de plusieurs ordres de grandeur. Ces catalyseurs présentent le potentiel d’être utilisés dans diverses industries de production d’énergie et de détoxification environnementale.

Mais il ya un hic. Actuellement, les photocatalyseurs très efficaces ont tendance à être très coûteux. Aussi difficile et même dangereux à réaliser.

Les métaux tels que le platine, le palladium ou l'or peuvent représenter une part importante du coût des photocatalyseurs. L’utilisation de métaux dans des photocatalyseurs n’est pas non plus souhaitable d’un point de vue environnemental.

Un autre problème est que la plupart des photocatalyseurs actuels ont tendance à « s'allumer » principalement lors de l'exposition à la lumière UV, qui ne constitue que 5 % de l'énergie solaire atteignant la surface de la Terre.

Pendant ce temps, la lumière visible constitue 45 % de l’énergie lumineuse solaire disponible, et le proche infrarouge les 50 % restants.

Le photocatalyseur conçu et testé par les chercheurs exploite environ un tiers du spectre de la lumière visible, explique le professeur Langelihle (Nsika) Dlamini. Dlamini est chercheur au Département des sciences chimiques de l'UJ.

Pour chiffrer, le spectre ultraviolet (UV) a des longueurs d’onde plus courtes (haute énergie), allant de 200 à 400 nanomètres. La lumière solaire visible a des longueurs d'onde plus longues (faible énergie) de 400 à 700 nanomètres.

C'est à la partie violet-bleu-cyan-vert de la lumière solaire visible, juste à côté de la lumière UV, que réagit le photocatalyseur des chercheurs de l'UJ. Cette partie de faible énergie de la lumière visible « allume » également le photocatalyseur pour déclencher des réactions chimiques.

"Le photocatalyseur est excité et présente un faible taux de recombinaison indésirable d'électrons et de trous dans la plage de longueurs d'onde de 420 à 520 nanomètres. Cela est dû à la conception structurelle unique des matériaux intégrés", explique Dlamini.

"Cela signifie que le photocatalyseur devrait être capable de répondre à 15 % supplémentaires de l'énergie solaire disponible pour lancer des processus chimiques, en fonction de son efficacité", explique-t-il.