Production d'hydrogène par lumière visible efficace avec un hybride g-C₃N₄/GO sensibilisé par Eosin Y chargé en cocatalyseur d'alliage PtNi

Résumé

La combinaison d'un cocatalyseur d'alliage platine-nickel (PtNi) avec un hybride g-C₃N₄/oxyde de graphène (GO), sensibilisé par le colorant organique Eosin Y, délivre un taux d'évolution d'hydrogène sans précédent de 5,89 mmol g⁻¹ h⁻¹ sous irradiation par lumière visible. L'alliage PtNi, synthétisé par une approche chimico-réduction et sonochimique directe, réduit le chargement en Pt tout en préservant l'activité catalytique. Les études comparatives montrent que le système PtNi est 1,54 fois plus actif que le Pt pur et 1178 fois plus actif que le Ni pur, soulignant l'interaction synergique qui favorise le transfert d'électrons et augmente les sites réactifs. Les mesures de quenching de photoluminescence et de photocourant transitoire confirment que l'alliage améliore la séparation des porteurs de charge, pilotant ainsi efficacement la réaction d'évolution d'hydrogène (HER).

Contexte

La génération d'hydrogène pilotée par le soleil offre une alternative propre aux combustibles fossiles. Pour rendre cette technologie pratique, un photocatalyseur réactif à la lumière visible et un cocatalyseur efficace et peu coûteux sont essentiels. Bien que le Pt noble soit hautement efficace, sa rareté et son coût motivent le développement d'alliages bimétalliques qui remplacent une partie du Pt par des métaux de transition moins chers comme le Ni. Des études antérieures sur les alliages PtNi ou PtCo sur hôtes semi-conducteurs ont démontré une activité HER comparable ou supérieure. Ici, nous rapportons la première utilisation d'un hybride g-C₃N₄/GO sensibilisé par Eosin Y décoré avec un alliage PtNi, atteignant une évolution d'hydrogène record à partir d'eau sous lumière solaire simulée.

Matériaux et Méthodes

Préparation du g-C₃N₄ et GO

Le g-C₃N₄ polymérique a été obtenu par condensation thermique de l'urée à 600 °C pendant 2 h. Le GO a été synthétisé via une méthode de Hummers modifiée et lyophilisé. Le composite g-C₃N₄/GO (ratio massique 2:1) a été dispersé par ultrasons dans l'eau pour favoriser un contact intime.

Dépôt de l'alliage PtNi

Des sels de Pt et Ni ont été co-ajoutés à une dispersion d'éthanol anhydre de g-C₃N₄, suivis d'une réduction par NaBH₄. Le chargement simultané de Pt et Ni (ratio molaire 1:1) a produit des nanoparticules PtNi uniformément distribuées (diamètre moyen <5 nm) sur la matrice g-C₃N₄/GO. Le composite résultant (PtNi/GO-0,5 %) a été collecté, lavé, et séché à 60 °C.

Tests photocatalytiques

L'évolution d'hydrogène a été mesurée dans un réacteur Pyrex contenant 100 mL de solution aqueuse de triéthanolamine (TEOA) à 20 % (v/v) (pH = 7) avec 50 mg de photocatalyseur et 50 mg d'Eosin Y. Une lampe xénon de 300 W (λ > 420 nm) a illuminé la suspension, et H₂ a été quantifié par chromatographie en phase gazeuse.

Résultats et Discussion

Caractérisation structurale

La diffraction des rayons X a confirmé la structure de type graphitique du g-C₃N₄ (2θ = 13,8° et 27,4°). Les images MET ont révélé une morphologie fine et en couches et confirmé la présence de petites nanoparticules PtNi bien dispersées. L'analyse XPS a montré le Pt dans un état d'oxydation proche de zéro, tandis que le Ni présentait un léger décalage vers une énergie de liaison plus faible, indiquant la formation d'alliage. Le rapport Pt:Ni a été déterminé à 9:11 par XPS, proche du ratio molaire 1:1 ciblé.

Performance d'évolution d'hydrogène

Le composite PtNi/GO-0,5 % a atteint 5,89 mmol g⁻¹ h⁻¹, surpassant Pt/GO (3,82 mmol g⁻¹ h⁻¹) et Ni/GO (0,005 mmol g⁻¹ h⁻¹). L'optimisation du rapport Pt/Ni a révélé un maximum à 1:1 ; l'augmentation du Ni au-delà de ce ratio a réduit l'activité HER due à une perte de sites actifs Pt. Le chargement optimal PtNi était de 0,5 % en poids par rapport à la matrice g-C₃N₄/GO ; des chargements plus élevés gênaient l'absorption de lumière et diminuaient légèrement la performance.

Stabilité

Quatre cycles consécutifs d'irradiation de 4 heures ont montré seulement une chute <5 % de la production de H₂, démontrant une bonne photostabilité attribuée au cadre robuste de g-C₃N₄ et à l'Eosin Y lié covalentement.

Aperçus mécanistiques

Les spectres de réflectance diffuse UV-Vis ont montré que l'alliage PtNi améliore la séparation de charge plutôt que l'absorption de lumière. Le quenching de photoluminescence et les mesures de photocourant transitoire ont confirmé la séparation électron-trou la plus efficace dans le système PtNi/GO, corrélée avec le taux HER le plus élevé. Un cycle photocatalytique proposé implique le transfert d'électrons de l'Eosin Y excité vers g-C₃N₄/GO puis vers l'alliage PtNi, où les protons sont réduits en H₂. Les trous oxydent le TEOA sacrificiel.

Conclusion

L'étude démontre qu'un cocatalyseur d'alliage PtNi, synthétisé via une voie simple de réduction/sonication, booste dramatiquement l'évolution photocatalytique d'hydrogène par lumière visible sur un hybride g-C₃N₄/GO sensibilisé par Eosin Y. Avec un taux de 5,89 mmol g⁻¹ h⁻¹, ce système offre une alternative rentable au Pt pur, ouvrant la voie à une production d'hydrogène durable et évolutive.