Révélation du rôle des cocatalyseurs métalliques dans la production photocatalytique d’hydrogène

ParisDes chercheurs sous la direction de Toshiki Sugimoto ont employé la spectroscopie FT-IR operando avec un interféromètre de Michelson pour analyser le comportement des photocatalyseurs lors de la production d'hydrogène. Ils ont découvert que les électrons emprisonnés autour des bords des co-catalyseurs jouent un rôle essentiel dans ce processus, plutôt que les électrons libres dans les parties métalliques des co-catalyseurs. Cette découverte remet en question les hypothèses antérieures sur le fonctionnement de la photocatalyse.

Depuis la découverte de l'évolution photoélectrochimique de l'hydrogène en 1972, les scientifiques explorent la photocatalyse hétérogène. Pour développer de meilleurs catalyseurs pour la production d'hydrogène, il est crucial de comprendre les espèces électroniques réactives et les sites actifs pendant les réactions de réduction photocatalytique. Toutefois, détecter et isoler les signaux de ces électrons photoexcités reste une tâche ardue. Les signaux de fond puissants provenant des électrons non réactifs, excités par la chaleur, masquent souvent les signaux plus faibles des électrons réactifs.

Les chercheurs de l'Institut des Sciences Moléculaires et de SOKENDAI ont réalisé une avancée majeure. En synchronisant les réactions photo-excitées dans les photocatalyseurs avec un interféromètre de Michelson, ils ont pu éliminer les signaux des électrons non réactifs. Cela leur a permis de distinguer clairement les électrons contribuant à la production d'hydrogène.

Principales conclusions incluent :

• Les cocatalyseurs métalliques ne jouent pas le rôle de puits pour les électrons photogénérés réactifs.
• Les électrons libres des cocatalyseurs métalliques ne participent pas directement à la réaction de réduction.
• Les états de surface des semiconducteurs induits par les métaux, en particulier ceux situés à la périphérie, sont essentiels pour l'évolution photocatalytique de l'hydrogène.

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Ce changement dans notre compréhension du rôle des cocatalyseurs métalliques en photocatalyse offre une nouvelle approche pour concevoir des interfaces métal/oxyde permettant de produire de l'hydrogène sans chaleur. Les avantages potentiels sont considérables. Cela pourrait aboutir à de meilleurs designs de catalyseurs exploitant l'importance récemment reconnue des états de surface et des états dans le gap. De plus, cette nouvelle méthode de spectroscopie infrarouge, utilisée pendant les réactions, pourrait être appliquée à d'autres systèmes alimentés par la lumière ou l'électricité.

Les recherches récentes en photocatalyse mettent en lumière l'importance des propriétés de surface et des structures électroniques locales, au lieu de se concentrer uniquement sur les propriétés globales des matériaux. Les états induits par les métaux à proximité de la surface des semi-conducteurs peuvent considérablement influencer les réactions et leur efficacité. Cette approche détaillée peut contribuer à la création de catalyseurs plus précis et efficaces pour l'énergie durable.

L'utilisation de la spectroscopie FT-IR synchronisée pourrait révolutionner notre étude et compréhension des divers processus catalytiques. Elle pourrait aider à identifier les facteurs améliorant la performance des catalyseurs, facilitant ainsi la création de solutions énergétiques écologiques pour l'avenir.

Les résultats révèlent une tendance vers un contrôle plus précis et détaillé des surfaces catalytiques. Cette avancée rapproche la science de l'utilisation de l'hydrogène comme source d'énergie écologique et efficace.