Nanoparticules à base de semi-conducteurs organiques avec des charges réactives de longue durée

Nanoparticules à base de semi-conducteurs organiques avec des charges réactives de longue durée

Crédit : Kosco et al.

En raison de leurs propriétés avantageuses, les semi-conducteurs organiques pourraient être des photocatalyseurs très prometteurs pour produire des carburants solaires. En fait, ces matériaux peuvent être réglés synthétiquement pour absorber la lumière visible, tout en conservant simultanément les niveaux d’énergie souhaitables pour la conduite de divers processus. Alors que les photocatalyseurs à base de semi-conducteurs organiques ont atteint des résultats prometteurs, la compréhension de la physique qui sous-tend leur fonctionnement est encore relativement limitée.

Des chercheurs de l’Université des sciences et technologies du roi Abdallah (KAUST), de l’Imperial College de Londres et de l’Université d’Oxford ont tenté de développer des photocatalyseurs à base de semi-conducteurs organiques capables de récolter efficacement l’énergie solaire et pouvant ainsi être utilisés pour produire de l’hydrogène de manière plus durable. Leur article le plus récent, publié dans Énergie naturellemontre que les nanoparticules semi-conductrices organiques à hétérojonction peuvent générer des charges réactives remarquablement durables, elles pourraient donc conduire efficacement à l’évolution sacrificielle de l’hydrogène.

“Nous avons choisi d’utiliser des semi-conducteurs organiques pour fabriquer nos photocatalyseurs car leurs bandes interdites peuvent être synthétisées pour absorber fortement dans le spectre visible”, a déclaré Jan Kosco, l’un des chercheurs qui a mené l’étude. TechXplore. “Toutes choses étant égales par ailleurs, plus un photocatalyseur absorbe de lumière, plus il peut convertir efficacement l’énergie solaire en hydrogène.”

Les photocatalyseurs les plus stables fabriqués à partir de semi-conducteurs inorganiques, tels que TiO2 et SrTiO3 absorbent presque exclusivement les longueurs d’onde UV et ont peu ou pas d’activité sous la lumière visible. Cela peut être problématique, car moins de 5% de l’énergie solaire est transportée via les longueurs d’onde UV. Cela limite fondamentalement l’efficacité de ces photocatalyseurs à base de semi-conducteurs inorganiques à moins de 5 %.

Kosco et ses collègues ont entrepris d’explorer le potentiel des semi-conducteurs organiques pour conduire l’évolution de l’hydrogène et la photophysique qui sous-tend leur fonctionnement. Leur étude s’appuie sur leurs travaux antérieurs sur les photocatalyseurs de nanoparticules semi-conductrices organiques à hétérojonction en vrac.

“Il est important de développer des photocatalyseurs actifs dans une large gamme de longueurs d’onde UV-visible-infrarouge pour maximiser l’absorption de la lumière solaire”, a expliqué Kosco. “Nous avons d’abord été surpris lorsque nous avons vu que les nanoparticules PM6: PCBM affichaient un H plus élevé2 taux d’évolution que les PM6:Y6 NPs.”

Lorsqu’ils ont commencé à mener leurs expériences, Kosco et ses collègues s’attendaient à découvrir que les nanoparticules PM6:Y6 étaient plus actives que les nanoparticules PM6:PCBM, car Y6 est connu pour absorber beaucoup plus du spectre solaire que le PCBM. Cependant, lorsqu’ils ont mesuré les efficacités quantiques externes (EQE) des nanoparticules PM6:Y6 et PM6:PCBM, ils ont découvert que ces dernières sont capables de convertir une plus grande fraction de l’énergie solaire qu’elles absorbent en charges qui produisent de l’hydrogène.

“En d’autres termes, nous avons constaté que les nanoparticules PM6:PCBM ont des EQE plus élevés”, a déclaré Kosco. “Cela leur permet de produire plus d’hydrogène que les nanoparticules PM6:Y6, même si elles absorbent moins de lumière.”

Après avoir mesuré les EQE des nanoparticules, Kosco et ses collègues les ont sondées à l’aide d’une série de méthodes spectroscopiques ultrarapides et operando. Leur espoir était de découvrir les mécanismes qui sous-tendent les EQE plus élevés qu’ils ont observés dans les nanoparticules PM6:PCBM.

“Nous avons utilisé ces techniques pour suivre les processus photophysiques responsables de la conversion des photons en charges catalytiquement actives sur des échelles de temps allant de la picoseconde à la seconde”, a déclaré Kosco. “Ces méthodes ont révélé que les nanoparticules PM6:PCBM sont plus efficaces pour convertir les photons absorbés en charges catalytiquement actives à longue durée de vie, et nous pensons que c’est la principale raison de leur H élevé.2 efficacité de production.”

Kosco et ses collègues ont également imagé les nanoparticules à l’aide de la microscopie électronique à transmission cryogénique (Cryo-TEM). Il s’agit d’une technique de microscopie électronique avancée qui permet aux chercheurs de congeler rapidement un échantillon et d’en capturer des images dans des conditions cryogéniques, préservant ainsi sa structure native. À l’aide de Cryo-TEM, l’équipe a pu générer des images des nanoparticules qui capturaient clairement leur morphologie interne avec une résolution à l’échelle nanométrique, alors qu’elles étaient en suspension dans de l’eau vitrifiée.

“Nous nous attendions à ce que des charges se forment dans nos nanoparticules, en raison de l’hétérojonction de type II présente à l’intérieur”, a expliqué Kosco. “Cependant, nous ne nous attendions pas à ce que les charges “vivent” aussi longtemps à l’intérieur des nanoparticules. Les charges photogénérées se recombinent généralement à l’échelle de la microseconde, mais nous avons observé des charges dans nos nanoparticules même quelques secondes après la photoexcitation.”

La durée de vie des charges photogénérées que les chercheurs ont observée dans leurs expériences est extrêmement longue par rapport à celle généralement présentée par les semi-conducteurs organiques. Cette durée de vie remarquablement longue pourrait être le principal facteur sous-tendant leurs hautes performances, car elle prolonge le temps de participation des charges aux réactions redox à la surface des nanoparticules qui sont connues pour être relativement lentes.

“Nous espérons que cette nouvelle classe de photocatalyseurs à semi-conducteurs organiques hautement actifs accélérera le développement de photocatalyseurs à dégagement d’hydrogène actif à lumière visible efficaces pour les schémas Z globaux de séparation de l’eau”, a déclaré Kosco. “Dans un schéma Z de séparation de l’eau, un photocatalyseur à dégagement d’hydrogène est couplé à un photocatalyseur à dégagement d’oxygène et, ensemble, les deux photocatalyseurs entraînent la séparation globale de l’eau en H2 et O2. Ceci est analogue à la façon dont le photosystème 1 et le photosystème 2 convertissent la lumière du soleil en énergie chimique lors de la photosynthèse chez les plantes vertes.”

À l’avenir, les photocatalyseurs prometteurs identifiés par Kosco et ses collègues pourraient être utilisés pour créer de nouvelles technologies de carburant solaire plus performantes. Alors que les chercheurs ont jusqu’à présent principalement évalué leur potentiel pour conduire la réaction d’évolution de l’hydrogène, pour être appliquée dans des contextes réels, cette réaction devrait être couplée aux processus d’évolution de l’oxygène, pour diviser l’eau en H2 et O2.

“Nous continuons maintenant à développer des photocatalyseurs pour H2 évolution, O2 évolution et CO2 réduction aux carburants synthétiques », a ajouté Kosco.


Des photocatalyseurs plus efficaces pourraient libérer le potentiel de l’énergie solaire


Plus d’information:
Jan Kosco et al, Génération de charges à longue durée de vie dans des nanoparticules à hétérojonction semi-conductrices organiques pour une évolution photocatalytique efficace de l’hydrogène, Énergie naturelle (2022). DOI : 10.1038 / s41560-022-00990-2

Jan Kosco et al, Évolution photocatalytique améliorée de l’hydrogène à partir de nanoparticules à hétérojonction semi-conductrices organiques, Matériaux naturels (2020). DOI : 10.1038/s41563-019-0591-1

© 2022 Réseau Science X

Citation: Nanoparticules organiques à base de semi-conducteurs avec charges réactives de longue durée (11 avril 2022) récupéré le 11 avril 2022 sur https://techxplore.com/news/2022-04-semiconductor-based-nanoparticles-long-lasting-reactive.html

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