La configuration et la géométrie des réacteurs chimiques conditionnent la fiabilité dans l’évaluation des performances des matériaux photocatalytiques. Des chercheurs ont mis au point un nouveau photoréacteur automatisé pour la production de H2 qui permet d’améliorer substantiellement la précision des mesures de performance des matériaux photocatalytiques.
Le dihydrogène H2 est l’un des combustibles les plus attrayants en raison de son contenu énergétique massique élevé, qui est jusqu’à trois fois supérieur à celui des combustibles fossiles conventionnels lorsqu’il est utilisé en combustion directe. Jusqu’à présent, la production verte d’H2 en utilisant uniquement un photocatalyseur en présence d’eau et de la lumière du soleil n’a pas encore atteint un niveau technologique suffisant en raison d’un double défi : il faut d’une part trouver des catalyseurs efficaces, abondants, recyclables et peu coûteux et d’autre part mettre au point un photoréacteur facile à construire et à manipuler pour des mesures normalisées. La conception rationnelle de matériaux photocatalytiques performants a fait l’objet de nombreuses études depuis plusieurs décennies. Cependant, le manque de données précises concernant les distributions de masse et d’énergie dans les photoréacteurs en fonctionnement rend difficile la comparaison entre les performances des différentes expériences, et fait obstacle au progrès général du domaine.
Une équipe pluridisciplinaire dirigée par des chercheurs du Laboratoire de Physique des Solides, en collaboration avec des collègues du Rutherford Appleton Laboratory et des universités de Grenade, Camerino, Strasbourg et Southampton, a conçu un photoréacteur compact automatisé (Figure a) dédié à la photoproduction de H2. Des jonctions TiO2/Schottky, utilisant des nanoparticules de palladium, de platine ou d’or ont été synthétisées et utilisées comme matériaux de référence pour valider le fonctionnement du réacteur pendant la photoproduction de H2. Une méthodologie a été mise en place pour déterminer les profils locaux d’absorption photonique, ce qui permet d’extraire le rendement quantique local pour les matériaux sélectionnés. Ce travail a été publié dans Chemical Engineering Journal.
Une approche multi-échelle a été appliquée pour déterminer les propriétés surfaciques et massiques de chaque système et établir des corrélations entre les micro-structures observées et les performances obtenues. Il est intéressant de noter que les jonctions Schottky (Pd, Pt, Au)/TiO2 présentent des taux de production de H2 et des rendements quantiques (i.e. le ratio entre la quantité de H2 produite par rapport au nombre de photons reçus dans le réacteur) plus élevés (figure b), à l’exception des catalyseurs Au/TiO2. Ce résultat intrigant a ouvert la voie à une analyse approfondie par spectroscopie de perte d’énergie électronique, fournissant des informations intéressantes sur la modification du mode plasmonique Au à l’interface TiO2. Dans l’ensemble, les capacités de production de H2 de ce travail sont nettement supérieures à celles des systèmes actuellement établis, montrant que la géométrie et la configuration du réacteur pourraient potentiellement servir de référence dans le domaine et favoriser de nouvelles avancées dans le domaine de la photocatalyse.
Figure. a) Schéma du dispositif expérimental avec le photoréacteur compact. b) Evolution du rendement quantique en fonction des différentes jonctions Schottky et pour différents rapports massiques en métaux nobles.
Référence
A compact photoreactor for automated H2 photoproduction: Revisiting the (Pd, Pt, Au)/TiO2 (P25) Schottky junctions
P. Jimenéz-Calvo, M. Muñoz-Batista, M. Issacs, V. Ramnnarain, M. A. Muñoz-Marquez, X. Li, D. Ihiawakrim, G. Teobaldi, M. Kociak, E. Paineau
Chemical Engineering Journal, 2023, 459, 141594
doi: 10.1016/j.cej.2023.141514
Disponible sur ChemRxiv
Actualité scientifique de l’Institut de Physique du CNRS
Contacts
Pablo Jimenéz-Calvo
Erwan Paineau
