Mimer la photosynthèse des plantes pour convertir, grâce à la lumière, des molécules stables et abondantes comme leau et le CO2 en carburant hautement énergétique (lhydrogène) ou en produits chimiques dintérêt pour lindustrie, est aujourdhui un défi majeur de la recherche. La réalisation dune photosynthèse artificielle en solution reste cependant limitée par lutilisation, pour capturer la lumière, de composés à base de métaux coûteux et toxiques. Des chercheurs du CNRS, du CEA et de lUniversité Grenoble Alpes proposent une alternative efficace avec des nanocristaux semi-conducteurs (ou « quantum dots »), à base de cuivre, dindium et de soufre, des métaux moins onéreux et moins toxiques. Ces travaux sont publiés dans Energy & Environmental Science le 10 avril 2018.
Dans les systèmes de photosynthèse artificielle, les chromophores, ou « photosensibilisateurs », absorbent lénergie lumineuse et transfèrent les électrons au catalyseur, qui active la réaction chimique. Alors que de nombreux progrès ont été réalisés ces dernières années dans le développement de catalyseurs sans métaux nobles, les photosensibilisateurs reposent encore, pour la plupart, sur des composés moléculaires à base de métaux rares et coûteux, comme le ruthénium ou liridium, ou sur des matériaux semi-conducteurs inorganiques contenant du cadmium, un métal toxique.
Pour la première fois, des chercheurs du Département de chimie moléculaire (CNRS/Université Grenoble Alpes) et du SyMMES (CNRS/CEA/Université Grenoble Alpes)[1] ont démontré, en combinant leurs expertises en ingénierie des matériaux semi-conducteurs et en photocatalyse, quil est possible de produire très efficacement du dihydrogène en associant des nanocristaux semi-conducteurs (ou « quantum dots ») inorganiques constitués dun cur de sulfure de cuivre et dindium, protégé dune coquille de zinc et de soufre, à un catalyseur moléculaire à base de cobalt. Ce dispositif « hybride » combine les excellentes propriétés dabsorption de la lumière visible et la stabilité des semi-conducteurs inorganiques à lefficacité des catalyseurs moléculaires. En présence dun excès de vitamine C, qui fournit les électrons au système, il montre une activité catalytique remarquable dans leau, la meilleure obtenue à ce jour avec des « quantum dots » sans cadmium. Les performances de ce système sont bien supérieures à celles obtenues avec un photosensibilisateur à base de ruthénium, grâce à la très grande stabilité de ses matériaux inorganiques, qui peuvent être recyclés plusieurs fois sans perte notable dactivité.
Ces résultats mettent en évidence le grand potentiel de tels systèmes hybrides pour la production dhydrogène issue de lénergie solaire.
[1] Au travers dun projet collaboratif financé par le Labex Arcane de Grenoble.
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Journal
Energy & Environmental Science