La génération d'hydrogène (H₂) au moyen de la photocatalyse est à la pointe de la recherche depuis les années 1970, car elle peut potentiellement répondre à la demande de ce carburant vert en utilisant une lumière solaire abondante comme seule source d'énergie. Il englobe principalement deux approches: la division globale de l'eau et la déshydrogénation sélective des composés organiques.
La recherche sur le fractionnement global de l'eau se concentre sur la conception et la préparation de photocatalyseurs plus efficaces capables d'utiliser une gamme plus large du spectre électromagnétique et de fonctionner à des surposciations plus faibles pour l'oxydation de l'eau et la réduction des protons. Ces dernières années, le domaine a réalisé des progrès considérables dans la progression des expériences au-delà du stade de laboratoire.
D'un autre côté, la déshydrogénation sélective des composés organiques est un domaine de recherche plus complexe et multiforme. Il existe presque un nombre infini de composés organiques capables de servir de sources H₂, tandis que les produits de leur déshydrogénation sont des produits chimiques précieux.
Cependant, la déshydrogénation de la plupart des molécules organiques pourrait se procéder à différents degrés et produire une gamme de produits. Par conséquent, la sélectivité vers un produit spécifique est un paramètre central dans ce domaine de recherche, qui pourrait être modulé en sélectionnant les photocatalyseurs droits et en ajustant les paramètres du processus.
Malgré son importance pour la recherche fondamentale et appliquée, un résumé global des progrès réalisés par la communauté dans la déshydrogénation sélective des composés organiques au cours des 40 dernières années était manquant. Pour combler cette lacune, récemment, le professeur Oleksandr Savateev (Université chinoise de Hong Kong) a créé une «base de données de réactions de déshydrogénation photocatalytique».
La base de données contient 236 entrées, qui ont été extraites de 216 articles publiés entre 1982-2023 et plus de 100 descripteurs associés à chaque entrée. Par exemple, ces descripteurs sont:
- Classification de réaction Selon le type de liaison formée, comme C – B, C – C, C – H, C – N, C – O, C – P, C – S, C – SI, S – S, SI – O, N – N.
- Type du photocatalyseur (homogène, hétérogène), sa structure chimique et ses performances, telles que le taux de rendement de H2 et le produit organique.
- Rendement quantique de la réaction, et autres.
Ces données ont été analysées par l'équipe dirigée par le professeur Oleksandr Savateev (Université chinoise de Hong Kong), en coopération avec le professeur Junwang Tang (Université de Tsinghua) et le professeur Shaowen Cao (Université de technologie de Wuhan), et les résultats de l'analyse sont publiés dans l'article de revue de l'article de l'article de l'article de l'article de l'article de l'article de l'article de l'article de l'article de l'article de l'article de l'article de l'article de l'article de l'article de l'article de l'article de l'article de l'article de l'article de l'article de l'article de l'article de l'article de l'article de l'article de l'article de l'article de l'article de l'article de l'article de l'article de l'article de l'article de l'article de l'article de l'article de l'article de l'article de l'article de la Journal chinois de catalyse.
Parmi les résultats qui décrivent les orientations futures du développement sur le terrain sont:
- Utilisation plus efficace du spectre solaire. La déshydrogénation des composés organiques est thermodynamiquement moins difficile – le changement d'énergie libre de Gibbs est moins positif que celui de la division de l'eau. Par conséquent, en principe, les photocatalyseurs avec un écart d'énergie plus étroit que 1 EV et les photons dans la région proche IR du spectre électromagnétique sont suffisants pour conduire ces réactions. Cependant, il n'y a que quelques exemples de photocatalyseurs et de réactions effectués à des longueurs d'onde plus longues, autour de 500 nm. La grande majorité des réactions sont activées par les photocatalyseurs ayant la bande interdite dans la plage de 2,8 à 3,5 eV, nécessitant des photons au bord du spectre visible et près des UV.
- Développement de nouvelles réactions organiques. Il existe de nombreux exemples de déshydrogénation photocatalytique des composés organiques qui se déroulent avec la formation de liaisons C – C, C – O et C – N. Cependant, il n'y a que quelques exemples de construction de molécules organiques plus complexes via le couplage C – S, C – SI et N – N des fragments moléculaires accompagnés d'une évolution de H₂. Cela décrit les possibilités de rendre la synthèse organique plus économe en atome – H₂ est une molécule légère et le seul sous-produit du couplage croisé déshydrogénatif sans acceptation.
Il existe de nombreux domaines où la base de données et les résultats de son analyse peuvent être appliqués immédiatement. Ils permettent aux chercheurs de classer avec précision les performances de leurs systèmes photocatalytiques nouvellement développés dans une réaction de déshydrogénation sélectionnée dans des conditions données par rapport aux autres photocatalyseurs rapportés.
D'un autre côté, ils permettent d'identifier les photocatalyseurs les plus prometteurs et les réactions de déshydrogénation photocatalytique, celles avec des rendements quantiques plus élevés et des taux de rendement de H₂ et de produits organiques, pour se développer à un niveau de préparation à la technologie plus élevé.
