La catalyse pyroélectrique (pyrocatalyse) peut convertir les fluctuations de température ambiante en énergie chimique propre, telle que l’hydrogène. Cependant, par rapport à la stratégie de catalyse plus courante, telle que la photocatalyse, la pyrocatalyse est inefficace en raison des changements de température lents dans l’environnement ambiant.
Récemment, une équipe co-dirigée par des chercheurs de la City University of Hong Kong (CityU) a déclenché une réaction pyrocatalytique beaucoup plus rapide et plus efficace en utilisant des sources de chaleur plasmoniques localisées pour chauffer rapidement et efficacement le matériau pyrocatalytique et lui permettre de refroidir. bas. Les résultats ouvrent de nouvelles voies pour une catalyse efficace pour les applications biologiques, le traitement des polluants et la production d’énergie propre.
La pyrocatalyse fait référence à la catalyse déclenchée par les charges de surface dans les matériaux pyroélectriques induites par les fluctuations de température. Il s’agit d’une technique de catalyse verte et auto-alimentée qui récupère l’énergie thermique résiduelle de l’environnement. Il a attiré une attention croissante dans la production d’énergie propre et la génération d’espèces réactives de l’oxygène, qui peuvent ensuite être utilisées pour la désinfection et le traitement des colorants.
Cependant, la plupart des matériaux pyroélectriques actuellement disponibles ne sont pas efficaces si la température ambiante ne change pas beaucoup dans le temps. Comme le taux de variation de la température ambiante est souvent limité, un moyen plus viable d’augmenter l’efficacité pyrocatalytique consiste à augmenter le nombre de cycles de température. Mais c’est un grand défi de réaliser plusieurs cycles thermiques dans le pyrocatalyseur dans un court intervalle de temps en utilisant des méthodes de chauffage conventionnelles.
Défi du cyclage thermique multiple
Une équipe de recherche codirigée par le Dr Lei Dangyuan, professeur agrégé au Département de science et génie des matériaux (MSE) de CityU, a récemment surmonté cet obstacle en utilisant une nouvelle stratégie combinant des matériaux pyroélectriques et l’effet thermoplasmonique localisé du métal noble. nanomatériaux.
Les nanostructures plasmoniques, qui supportent l’oscillation collective des électrons libres, peuvent absorber la lumière et la convertir rapidement en chaleur. Sa taille nanométrique permet des changements de température rapides mais efficaces dans un volume confiné, sans perte de chaleur significative dans le milieu environnant. Par conséquent, la chaleur localisée générée par les nanostructures thermo-plasmoniques peut être facilement ajustée et activée ou désactivée par une irradiation lumineuse externe dans un intervalle de temps ultracourt.
Dans leurs expériences, l’équipe a sélectionné un matériau pyrocatalytique typique, appelé nanoparticules de titanate de baryum (BaTiO3). Les nanoparticules de BaTiO3 ressemblant à du corail sont décorées de nanoparticules d’or comme sources de chaleur plasmoniques ; les nanoparticules d’or peuvent convertir les photons directement d’un laser pulsé en chaleur. Les résultats de l’expérience ont démontré que les nanoparticules d’or agissent comme une source de chaleur localisée rapide, dynamique et contrôlable sans élever la température ambiante, ce qui augmente de manière importante et efficace la vitesse de réaction pyrocatalytique globale des nanoparticules de BaTiO3.
Les nanoparticules d’or comme source de chaleur localisée
Grâce à cette stratégie, l’équipe a atteint un taux de production d’hydrogène pyrocatalytique élevé, accélérant le développement d’applications pratiques de la pyrocatalyse. Les nano-réacteurs pyroélectriques plasmoniques ont démontré un taux de production d’hydrogène pyrocatalytique accéléré d’environ 133,1 ± 4,4 µmol·g-1·h-1 par chauffage et refroidissement local thermo-plasmonique sous irradiation d’un laser nanoseconde à la longueur d’onde de 532 nm.
De plus, le taux de répétition du laser nanoseconde utilisé dans l’expérience était de 10 Hz, ce qui signifiait que 10 impulsions de lumière étaient irradiées sur le catalyseur par seconde pour réaliser 10 cycles de chauffage et de refroidissement. Cela implique qu’en augmentant le taux de répétition des impulsions laser, les performances catalytiques pyroélectriques pourraient être améliorées à l’avenir.
L’équipe de recherche pense que les résultats de leurs expériences ont offert une nouvelle approche pour améliorer la pyrocatalyse en concevant un système composite pyroélectrique innovant avec d’autres matériaux photothermiques. Ces progrès substantiels rendront plus réalisable l’application future de la pyrocatalyse dans le traitement des polluants et la production d’énergie propre.
Les résultats ont été publiés dans la revue Communication Nature sous le titre « Production accélérée d’hydrogène pyrocatalytique rendue possible par le chauffage local plasmonique de Au sur des nanoparticules pyroélectriques de BaTiO3. »
Plus d’information:
Huilin You et al, Production accélérée d’hydrogène pyrocatalytique activée par le chauffage local plasmonique de Au sur des nanoparticules pyroélectriques de BaTiO3, Communication Nature (2022). DOI : 10.1038/s41467-022-33818-4