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Briser le goulot d'étranglement de l'efficacité : la puissance du dopage dans la séparation photocatalytique de l'eau

SciTechDaily

Un aperçu complet des photocatalyseurs dopés dans la séparation de l'eau sous lumière visible est présenté. Le dopage pour réguler la structure de bande des oxydes composites à base de Bi permet une séparation globale de l'eau. Les performances de la production d'hydrogène sont améliorées par dopage pour contrôler la micromorphologie du photocatalyseur (exposition sélective des facettes cristallines à haute activité) et les propriétés de surface (phosphorisation de surface). Une technique de dopage à gradient multilocal construit un puits de potentiel tridimensionnel, favorisant efficacement la séparation des charges, prolongeant la durée de vie des porteurs photogénérés et améliorant les performances de séparation photocatalytique de l'eau. Crédit : Chinese Journal of Catalysis

La séparation photocatalytique de l'eau, utilisant des stratégies telles que le dopage et le contrôle des défauts, a connu des améliorations d'efficacité, notamment grâce aux avancées récentes dans les méthodes de dopage qui optimisent la conversion d'énergie sous lumière visible.

Dans la réaction photocatalytique de séparation de l'eau, un photocatalyseur, généralement un semi-conducteur, absorbe l'énergie lumineuse pour déclencher la réaction de séparation de l'eau. En absorbant la lumière, le photocatalyseur génère des paires électron-trou. Les électrons excités réduisent l'eau, tandis que les trous l'oxydent.

Cependant, la séparation photocatalytique de l'eau présente plusieurs défis, notamment une faible efficacité, une absorption limitée de la lumière visible et la photocorrosion du photocatalyseur. Ainsi, diverses stratégies telles que la formation d'hétérojonctions, la conception de nanostructures, l'utilisation de cocatalyseurs, la sensibilisation aux colorants, l'amélioration plasmonique de surface, le dopage et le contrôle des défauts sont explorées pour résoudre ces problèmes et briser le goulot d'étranglement de l'efficacité.

Dopage et amélioration de l'efficacité

Le dopage, en particulier, a suscité une attention considérable. Diverses études ont démontré son efficacité. Par exemple, l'équipe de Kudo a obtenu un rendement quantique apparent (AQY) supérieur à 50 % grâce à la modification d'oxydes métalliques. Dopage à l'azote dans TiO2comme le rapportent Asahi et al., s'est avéré crucial pour le rétrécissement de la bande interdite et l'amélioration de l'activité photocatalytique. Domen et al. ont introduit une solution solide d'oxyde d'azote de gallium et de zinc (Ga1 foisZnX)(N1 foisOX) pour la séparation de l'eau dans la lumière visible. Chen et al. ont exploré l'introduction du désordre dans TiO2 couches nanophasées via hydrogénation pour améliorer l'absorption solaire. Takata et al. ont obtenu une séparation globale de l'eau en utilisant un titanate de strontium dopé à l'aluminium modifié (SrTiO3:Al) photocatalyseur avec une efficacité quantique externe allant jusqu'à 96 %.

Récemment, l'équipe du professeur Wenfeng Shangguan de l'université Jiao Tong de Shanghai, en Chine, a intégré ses recherches à d'autres études importantes pour fournir un aperçu complet de la structure de la bande d'énergie, de la microstructure, de la régulation des défauts et des stratégies de dopage influençant l'activité photocatalytique. Leur objectif est de doper les éléments de terres rares dans les oxydes composites à base de bismuth afin d'améliorer le minimum de bande de conduction et d'obtenir une séparation globale de l'eau sous lumière visible. Leur technique innovante de dopage asymétrique, le dopage par gradient local sélectionné, permet la libération contrôlée d'ions dopés, ce qui promet des contributions significatives à l'exploration de nouveaux matériaux et à l'amélioration de l'efficacité de conversion d'énergie dans la séparation photocatalytique de l'eau sous lumière visible.

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