Les chimistes de l'Université nationale de Singapour (NUS) ont développé des matériaux innovants qui peuvent exploiter à la fois des États singulets et des États excités aux triplet pour une photocatalyse efficace et sans métal.
La photocatalyse est une technologie verte prometteuse qui utilise la lumière du soleil pour stimuler les réactions chimiques. Cependant, la plupart des matériaux existants exploitent un seul type d'énergie lumineuse, soit le singulet ou l'état excité de triplet. Cela limite leur efficacité et leur gamme d'applications, en particulier sous la lumière naturelle du soleil, qui contient un large éventail de longueurs d'onde.
Une équipe de recherche dirigée par le professeur Donglin Jiang du Département de chimie de NUS a développé une nouvelle classe de cadres organiques covalents (COF) qui peuvent simultanément utiliser les États-normans et les états excités en triplet. Ces COF à double canal sont conçues avec des unités donneuses et accepteurs disposées dans des colonnes ordonnées, améliorées par une liaison hydrogène précise pour une stabilité et des performances améliorées sous une exposition à la lumière.
Les résultats de la recherche ont été publiés dans la revue Matériaux de la nature.
Cette percée permet des réactions photocatalytiques très efficaces alimentées par la lumière rouge et proche infrarouge, qui sont des régions souvent sous-utilisées par les catalyseurs existants. La nature sans métal de ces matériaux les rend respectueuses de l'environnement et rentables, avec des utilisations potentielles dans la production de carburant propre, les produits pharmaceutiques et les processus industriels verts.
Les COF conçus par l'équipe de recherche présentent des molécules de donneur et d'accepteur alternées qui sont empilées dans une structure en colonnes bien alignée. Cette conception unique permet un transfert de charge et d'énergie rapide à travers le cadre et permet l'activation de deux types distincts d'états excités:
- États singulets, qui sont idéaux pour les réactions chimiques rapides et sélectives.
- Les États du triplet, qui durent plus longtemps et peuvent conduire des transformations plus difficiles.
Peu de matériaux peuvent accéder efficacement aux deux voies, mais ces nouveaux COF le gèrent dans un système unifié, permettant à plus de la lumière du soleil d'être exploitée à des fins catalytiques. Les tests ont montré que les matériaux fonctionnent exceptionnellement bien même sous un feu rouge à faible énergie, réalisant certaines des fréquences de roulement les plus élevées rapportées pour les systèmes sans métal. Ils ne nécessitent pas non plus de métaux ou de produits chimiques ajoutés pour augmenter leurs performances.
Dans un exemple, sous la lumière rouge (620 nm), le matériau H₂P-BT (OME) ₂-COF a converti 98% d'un produit chimique appelé benzylamine dans le produit souhaité en 10 minutes. Il a également démontré une grande efficacité, avec une fréquence de renouvellement de 1 298 par heure, ce qui signifie que chaque site actif dans le matériau peut effectuer plus d'un millier de réactions chaque heure.
Les cadres sont également modulaires et peuvent être personnalisés pour différents types de réactions en modifiant simplement les unités donneuses ou accepteurs. Leur structure poreuse soutient un transport de réactif efficace, ce qui les rend idéaux pour les applications industrielles telles que les processus à flux continu.
Le professeur Jiang a déclaré: « Ce travail ouvre une nouvelle avenue pour une photocatalyse durable. Nos COF à double canal démontrent qu'il est possible de récolter la lumière plus complètement et efficacement en utilisant des matériaux sans métal. Nous sommes ravis d'explorer jusqu'où nous pouvons prendre cette technologie dans des applications réelles. »
L'équipe de recherche prévoit d'adapter ces COF à utiliser dans des applications à grande échelle, telles que la production de carburant solaire et l'assainissement environnementale. En réglant leur structure, les matériaux pourraient être adaptés pour une utilisation dans une grande variété de processus chimiques axés sur la lumière.
