Les scientifiques ont développé une nouvelle méthode photocatalytique pour produire du peroxyde d’hydrogène en utilisant de l’eau et de l’air, en utilisant une nouvelle structure organique covalente. Cette méthode est économe en énergie et respectueuse de l’environnement, contrastant fortement avec le procédé traditionnel à l’anthraquinone, plus dangereux.
Des scientifiques de l’Université nationale de Singapour (NUS) ont créé un cadre organique covalent microporeux avec des réseaux denses donneur-accepteur et des liaisons techniques pour la production efficace et propre de peroxyde d’hydrogène (H2Ô2) à travers le photosynthèse traiter avec de l’eau et de l’air.
Production industrielle traditionnelle de H2Ô2 via le procédé à l’anthraquinone utilisant de l’hydrogène et de l’oxygène, est très gourmand en énergie. Cette approche utilise des solvants toxiques et des catalyseurs à base de métaux nobles coûteux, et génère des déchets substantiels dus aux réactions secondaires.
L’illustration montre un nouveau matériau à structure organique covalente hexavalente (COF) qui imite la photosynthèse. (À gauche) La lumière déclenche le transfert d’un électron d’un site donneur vers un site accepteur au sein du matériau (indiqué par des flèches rouges). Ce processus transfère quatre charges positives au site donneur, qui sont ensuite utilisées pour diviser les molécules d’eau en oxygène (indiquées par des flèches vertes). Au site accepteur, deux électrons se combinent avec l’oxygène pour produire du peroxyde d’hydrogène (indiqué par une flèche bleue). (À droite) La structure du matériau permet un mouvement efficace des électrons (représentés en jaune), des charges positives (représentées en bleu), de l’eau et de l’oxygène dans toute la couche unique. Ce matériau a le potentiel de convertir l’énergie lumineuse en énergie chimique de la même manière que la photosynthèse naturelle. Crédit : Université nationale de Singapour
En revanche, la production photocatalytique de H2Ô2 à partir d’oxygène et d’eau offre un itinéraire économe en énergie, doux et propre. Plus important encore, il résout les inconvénients courants des systèmes photocatalytiques existants, tels que la faible activité, l’utilisation intensive de donneurs sacrificiels d’alcool supplémentaires et la nécessité d’un apport d’oxygène pur.
Percée réalisée par les chercheurs du NUS
Une équipe de recherche dirigée par le professeur Jiang Donglin du département de chimie de la NUS a développé un nouveau type de photocatalyseur pour la photosynthèse artificielle efficace de H.2Ô2 de l’eau et de l’air.
Les chercheurs ont construit des structures organiques covalentes (COF) hexavalentes dans lesquelles le squelette est conçu pour être des colonnes π donneur-accepteur pour la génération de charges photo-induites à haut débit et des sites actifs catalytiques. En parallèle, les pores sont conçus avec des canaux microporeux trigonaux hydrauliquement sensibles pour une distribution immédiate des réactifs eau et oxygène.
En conséquence, ces COF hexavalents produisent H2Ô2 spontanément et efficacement à partir de l’eau et de l’air atmosphérique lorsqu’ils sont exposés à la lumière visible dans des réacteurs discontinus et à flux. Dans des conditions de laboratoire, les COF démontrent une efficacité quantique de 17,5 pour cent sous la lumière visible à 420 nm dans des réacteurs discontinus. Ce système peut être développé pour construire des surfaces autonettoyantes et pour des traitements de désinfection.
Les résultats de la recherche ont été récemment publiés dans la revue Catalyse naturelle.
Le professeur Jiang a déclaré : « Dans ce travail, nous avons résolu avec succès un problème clé et commun aux photocatalyseurs, aux électrocatalyseurs et aux catalyseurs hétérogènes, à savoir l’approvisionnement efficace en charges et en masse des sites catalytiques. Notre concentration sur une conception structurelle précise au niveau atomique pour explorer à la fois les squelettes et les pores des COF a conduit à la création d’un système de photosynthèse artificielle pour H.2Ô2 production, atteignant une efficacité photocatalytique sans précédent.
