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 : Matériaux et dispositifs avancés.
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.
Le piège avec les photocatalyseurs
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.
Ajout d’un tiers du spectre de la lumière visible
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.
Premier photocatalyseur à spectre visible économique et stable
Cette étude est une première pour un photocatalyseur économique à base de métaux non nobles, déclare le docteur. candidat M. Collen Makola.
« Les performances de n’importe quel photocatalyseur peuvent être mesurées en évaluant sa capacité à convertir l’énergie solaire et/ou lumineuse en énergie chimique. C’est ce qu’on appelle l’efficacité de conversation photo-chimique, représentée par mu.
« Notre photocatalyseur (mu = 4,86 %) surpasse un photocatalyseur à trois composants (mu = 1,81 %), paru dans un article de revue en 2017. Ce photocatalyseur était composé d’argent, de sulfure de cadmium et d’oxyde de zinc », explique Makola.
Lors de tests de température, les chercheurs ont constaté que le photocatalyseur est extrêmement stable jusqu’à 500° Celsius. De plus, la stabilité dans l’eau à différents niveaux de pH a été confirmée, allant de pH 1 à pH 14.
De plus, le photocatalyseur préparé se disperse uniformément dans l’eau, un avantage supplémentaire pour les applications photocatalytiques.
Trois ingrédients, presque sans métal
Pour obtenir un photocatalyseur offrant ces performances, les chercheurs ont combiné trois « ingrédients » pour la conception finale du photocatalyseur.
Premièrement, environ 89 % de la masse apparente du photocatalyseur sous forme de poudre est constituée de carbone graphitique, explique Dlamini.
« Le carbone graphitique est « excité » ou « allumé » par la lumière UV dans la gamme de longueurs d’onde de 200 à 400 nanomètres. Il produit des électrons libres qui peuvent ensuite initier divers processus chimiques », ajoute Dlamini.
Les chercheurs ont produit cet ingrédient dans l’un des laboratoires de l’UJ. Le deuxième ingrédient représente environ 10 % de la masse finale. Il s’agit du calixarène, en l’occurrence une molécule en forme de coupe.
« Nous avons inclus le calixarène pour que le photocatalyseur puisse « capter » et décomposer les molécules organiques indésirables, telles que les produits personnels, les médicaments pharmaceutiques et leurs métabolites et d’autres substances présentes dans les eaux usées municipales. Les calixarènes sont utilisés depuis des décennies dans les médicaments pharmaceutiques », ajoute Dlamini.
Les chercheurs ont acheté le calixarène dans le commerce et l’ont ensuite modifié.
Le troisième ingrédient est le MXène. « La fonction principale du MXène est d’empêcher les électrons photo-générés par le nitrure de carbone graphitique de se recombiner ou de s’annuler avec les espèces chargées positivement (appelées trous) sous exposition à la lumière visible », explique Makola.
Le MXène qu’ils ont sélectionné représente environ 1% de la masse finale. Il contient du carbone et une infime quantité de niobium, un métal relativement peu coûteux.
« Le calixarène et le MXène ont contribué au déplacement de l’absorption de la lumière vers la région visible du spectre solaire », explique Makola.
Applications polyvalentes et multiples
De par sa nature même, ce photocatalyseur économique présente un potentiel important pour de multiples applications industrielles où la lumière du soleil ou la lumière électrique sont disponibles pour faciliter les processus chimiques, explique Dlamini. Cela va du traitement de l’eau en vrac à la stérilisation des salles de culture ou des installations médicales et bien plus encore.
Actuellement, les chercheurs testent la capacité du photocatalyseur à décomposer les polluants organiques et les résidus pharmaceutiques dans de véritables échantillons d’eaux usées à l’échelle du laboratoire.
Plus d’information:
Lekgowa C. Makola et al, Un aperçu d’une nouvelle hétérostructure photocatalytique à base de Calix@Nb2CTx/g-C3N4 sensibilisée au calixarène : propriétés de fabrication, physicochimiques, optoélectroniques et photoélectrochimiques, Journal of Science : Matériaux et dispositifs avancés (2023). DOI : 10.1016/j.jsamd.2023.100593
Fourni par l’Université de Johannesburg