Les photocatalyseurs sont des matériaux puissants qui utilisent la lumière comme source d'énergie pour le fonctionnement, devenant des matériaux indispensables dans de nombreux domaines, de l'industrie alimentaire et biomédicale à la production d'énergie. Ils sont principalement composés de composés métalliques comme les oxydes, les sulfures, etc., mais malgré leur grande efficacité, avec le temps, ils deviendront des déchets.
Heureusement, parmi les nombreux composés qui présentent des propriétés de semi-conducteur, certains ne contiennent pas de métal. Ce sont des composés organiques contenant des hétéroatomes et possédant une structure unique. L'un d'eux est le nitrure de carbone graphitique, également appelé nitrure de carbone (CN), qui est simplement basé sur le carbone et l'azote formant une structure polymère.
Ce semi-conducteur sans métal offre une stabilité chimique élevée et une faible énergie d'activation adaptée à son utilisation dans les processus solaires. Cependant, il n'est pas exempt de limitations telles que la recombinaison rapide des porteurs de charge photogénérés, ce qui signifie que l'énergie absorbée par la lumière est des déchets.
Un autre est le nombre limité de sites actifs en surface entraînant une mauvaise mobilité de la charge à travers toute la structure des matières photoactifs sous le processus photocatalytique. Par conséquent, les inconvénients comme le transfert d'électrons inefficaces et la recombinaison des porteurs de charge générés aggrave l'efficacité des réactions photo-stimulées.
Pour résoudre ces problèmes, l'ingénierie des défauts qui se concentre sur l'augmentation du nombre de défauts structurels dans le matériau et donc l'augmentation de la surface tout au long du volume a été activement et largement explorée comme une stratégie efficace pour améliorer l'efficacité du photocatalyseur.
Publié dans Communications chimiquesdes travaux récents démontrés par des chercheurs dirigés par le professeur Juan Carlos Colmenares de l'Institut de chimie physique, l'Académie polonaise des sciences a introduit des défauts structurels dans le matériau polymère CN qui forme un cadre complexe pour améliorer ses performances photocatalytiques. Ils ont présenté une approche ascendante simple et efficace par la co-polymérisation de deux monomères à base de triazine tels que le 2,4,6-triamio-1,3,5-triazine et le 4-diamino-6-phényl-1,3,5-triazine par la méthode de polymérisation thermique.
Ils ont utilisé un monomère contenant du phényle comme agent de coiffage qui termine partiellement la polymérisation. Cela conduit à des troubles dans la structure entraînant la formation de défauts dans le cadre CN. La génération de défauts structurels pendant la synthèse montre une simplification significative par rapport aux approches traditionnelles dans lesquelles des défauts sont faits après la synthèse à une autre étape, utilisant généralement des produits chimiques et de la chaleur difficiles.
Maintenant, les chercheurs montrent une manière beaucoup plus rapide, plus simple et plus intelligente d'atteindre les structures très défectueuses différemment du début. Le CN défectueux synthétisé (D-CN) présente plusieurs propriétés avantageuses. Comparé au CN non défectueux, le D-CN a une surface spécifique beaucoup plus grande, atteignant 134 m² G⁻¹, soit plus que la superficie du tribunal de badminton classique ou un appartement de famille très confortable de 5 membres en un seul gramme.
Le D-CN est également plein de pores nanosisés, également appelés mésopores, ce qui signifie que le matériau est « spongieux » améliorant l'accès des réactifs à la surface du catalyseur pendant la réaction. Dans le CN vierge, la plupart des charges générées sous l'éclairage (photoexcitation) sont piégées et immobilisées.
Ici, le D-CN fabriqué a une densité plus élevée de sites actifs qui est crucial pour la photoconductivité souhaitée et les performances photocatalytiques. Les défauts structurels, en particulier, la perturbation de l'empilement intercouche régulier et de l'espacement intercouche accru dans le matériau polymère, améliorent considérablement la séparation et le transport des porte-charges photodérérées. Grâce à cela, ils peuvent se déplacer librement le long de la structure polymère, au lieu de rester coincé.
« La création de défauts semble être une approche prometteuse pour améliorer la séparation des charges. Cela soulève la question de ce qui entraîne la séparation des charges dans le D-CN, étant donné la similitude des nitrures de carbone avec les polymères conjugués, en particulier leur faible constante diélectrique, des états excités localisés et la tendance à piéger les électrons profondément », explique le professeur. Colmenares.
Le D-CN a surperformé tous les photocatalyseurs à base de CN précédemment signalés dans la génération de peroxyde d'hydrogène (H₂O₂) – un carburant alternatif Un oxydant important également appelé oxydant vert utilisé dans l'industrie de la chimie fine qui nécessite commercialement l'application de produits chimiques nocifs environnementaux à produire. Le rendement obtenu à l'aide de D-CN était plus de six fois plus élevé que les meilleures alternatives.
Surtout, le matériau fonctionne plus efficacement que le CN vierge dans des conditions douces et durables sans oxydants agressifs et solvants organiques, fonctionnant uniquement dans l'eau et exposé à la source de lumière LED de 0,45 W dans la plage visible à température ambiante.
Grâce au photocatalyste sans métal, il est possible de produire à partir de combustibles d'eau contaminés et de produits chimiques précieux en même temps, il est possible de produire de l'eau, qui à son tour est utilisé dans l'industrie pharmaceutique, l'industrie alimentaire et au-delà de la production de parfums, etc.) et également l'hydrrogène H2 et / ou h2O2.
Surtout, la sélectivité de la réaction photocatalytique était de près de 100%, montrant une précision énorme dans le processus. Ces industries sont significatives et de nombreux produits chimiques sont sur des valeurs élevées et coûteuses à produire. En offrant une voie propre, sélective et à faible coût vers des produits chimiques importants comme le benzaldéhyde, le D-CN offre un potentiel élevé en photocatalyse et en coûts de production économique dans ces secteurs.
Remarques du professeur Colmenares, « En modifiant la composition précurseur des groupes phényle de greffe, des défauts ont été introduits dans le CN, conduisant à une augmentation de la mésoporosité, à une séparation de charges améliorée et à une absorption de lumière prolongée. Le D-CN a montré une efficacité plus élevée en H2O2 Production couplée à une oxydation sélective.
« La surface améliorée, les sites réactifs et la mobilité des charges ont été obtenus après avoir créé la structure défectueuse. D-CN facilite une voie ORR à deux électrons, conduisant à un H efficace H2O2 production. Ces résultats démontrent une stratégie simple mais efficace pour augmenter les performances. «
Le CN défectueux démontre des performances photocatalytiques supérieures, mettant en évidence son potentiel dans la conversion d'énergie et les applications environnementales telles que la division de l'eau et la dégradation des polluants. La génération des défauts directement pendant la synthèse économise de l'énergie, évite les déchets et ouvre la porte à l'assainissement environnemental, en particulier dans le traitement des eaux usées.
La beauté de la percée démontrée réside dans sa dualité, où le matériel défectueux peut dégrader la pollution de l'eau et générer de l'énergie, et la simplicité d'utiliser l'énergie verte sans conditions difficiles. La nouvelle approche à double mode montre son potentiel dans l'assainissement environnemental, le tout pour un avenir plus durable.
