Mécanismes d’amélioration de l’adsorption. Crédit : Catalyse de la nature (2024). DOI : 10.1038/s41929-024-01199-0
Pour éliminer les micropolluants tels que les pesticides et les traces de produits chimiques de l’environnement, il faut un moyen tout aussi petit et astucieux. L’une des méthodes possibles est la photocatalyse, qui utilise des nanomatériaux semi-conducteurs alimentés par la lumière du soleil pour adsorber les produits chimiques toxiques à la surface des matériaux et les dégrader.
Une équipe de Cornell a utilisé une nouvelle forme d’imagerie optique haute résolution pour mieux comprendre comment l’adsorption, c’est-à-dire l’adhérence des molécules aux surfaces, fonctionne sur le semi-conducteur dioxyde de titane (TiO2) avec une particule d’or ajoutée comme co-catalyseur.
Ils ont découvert que l’or améliore l’adsorption sur une zone étonnamment grande de la surface du semi-conducteur, à plus d’un micromètre de la source. Cette découverte pourrait accroître l’efficacité de la photocatalyse pour éliminer les micropolluants dans les eaux usées.
Les résultats ont été publiés le 19 juillet dans Catalyse de la natureL’auteur principal de l’étude est Ming Zhao, ancien chercheur postdoctoral de Cornell, aujourd’hui à l’Université nationale de Singapour. Le projet a été dirigé par Peng Chen, professeur de chimie Peter JW Debye au College of Arts and Sciences, et auteur principal de l’étude.
L’ajout d’or au dioxyde de titane est une forme assez courante de photocatalyse, c’est pourquoi l’équipe de Chen a choisi cette combinaison. Ils voulaient travailler avec des systèmes modèles bien établis. L’un des développements clés a été la nouvelle méthode d’imagerie : adCOMPEITS, abréviation de Adsorption-based COMPetition Enabled Imaging Technique with Super-resolution, qui s’appuie sur un processus antérieur conçu par le laboratoire.
Dans adCOMPEITS, une molécule sonde fluorescente s’adsorbe sur la surface d’une particule et sa fluorescence est imagée. Une molécule micropolluante non fluorescente est ensuite envoyée pour se lier à la surface, où elle entre en compétition pour l’adsorption avec la sonde fluorescente. La diminution de l’adsorption de la sonde qui en résulte, créant essentiellement une image négative, peut ensuite être mesurée et cartographiée avec une très haute résolution.
L’équipe a utilisé cette méthode pour quantifier l’adsorption de deux micropolluants représentatifs, le pesticide pyrimiphos méthyl et le plastifiant phtalate de diéthyle, dans diverses conditions de réaction et de non-réaction.
« Nous avons mesuré l’adsorption à la surface de ce TiO2 « Nous avons utilisé des nanobâtonnets à différents endroits, notamment à l’endroit où se trouve la particule d’or, et également à des endroits très éloignés de la particule d’or », a déclaré Chen. « La nanoparticule d’or ne mesure que 100 nanomètres. Nous avons découvert qu’elle améliore l’adsorption à quelques microns de l’endroit où se trouve la particule. C’est environ 10 fois plus loin. »
La raison de cette portée accrue est que la particule d’or modifie les propriétés électroniques du TiO2 surface, un phénomène appelé courbure de bande de surface, que le laboratoire de Chen a déjà étudié dans des particules semi-conductrices tridimensionnelles qui présentent des propriétés bidimensionnelles.
« Il s’est avéré que la flexion de la bande ne plie pas seulement les bandes là où elle se trouve, la flexion de la bande se fait le long de la surface d’un TiO2“, a déclaré Chen. “Cette courbure de bande a un profil de décroissance exponentielle qui atteint des microns de distance et a donné lieu à cette amélioration de l’adsorption à longue portée.”
Cette découverte démontre l’avantage particulier de l’utilisation de nanoparticules métalliques comme l’or comme cocatalyseurs : seule une petite quantité est nécessaire pour améliorer l’adsorption sur le semi-conducteur. Cela pourrait finalement contribuer à résoudre l’un des défis de la photocatalyse, qui a souvent une faible efficacité de conversion lors de la transformation de l’énergie solaire en réaction chimique. Au-delà des applications photocatalytiques, elle pourrait également être utilisée pour des processus tels que la détection et les cellules solaires à colorant.
« Cette amélioration à long terme devrait être largement applicable », a déclaré Chen. « En allant plus loin, on peut envisager d’améliorer de nombreux types de semi-conducteurs en utilisant de nombreux types de cocatalyseurs ayant différentes propriétés électroniques. »
Plus d’information:
Ming Zhao et al., Améliorations à longue portée de l’adsorption des micropolluants sur les photocatalyseurs à base de métal, Catalyse de la nature (2024). DOI : 10.1038/s41929-024-01199-0
Fourni par l’Université Cornell
Citation:Un cocatalyseur à base d’or améliore la dégradation photocatalytique des micropolluants, selon une étude (2024, 19 juillet) récupéré le 20 juillet 2024 à partir de
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