Observation du Mécanisme de Photocharge des Nanorods d'Or pour la Conversion d'Énergie Solaire

Des chercheurs de l'Université de Potsdam ont réussi à observer et à modéliser de manière inédite le processus fondamental de photocharge au sein de nanorods d'or utilisés comme photocatalyseurs. Cette avancée est considérée comme cruciale pour l'exploitation de l'énergie lumineuse dans des réactions chimiques ciblées, notamment la conversion du dioxyde de carbone en carburants ou la production d'hydrogène à partir de l'eau. Les nanorods d'or, reconnus pour leur capacité à capter la lumière via des oscillations électroniques collectives, se chargent électriquement sous illumination, un phénomène dont l'élucidation expérimentale s'est avérée complexe jusqu'à présent.

L'équipe, dirigée par le physicien Dr. Wouter Koopman, a mis en lumière la dynamique précise de cette accumulation de charge. L'illumination provoque la création de paires électron-trou dans le métal. Les trous sont ensuite transférés aux molécules environnantes, telles que l'éthanol, tandis que les électrons restent piégés à la surface de la particule, induisant une charge nette. Le Dr. Felix Stete, coordinateur scientifique et premier auteur de l'étude, a souligné que la lumière seule suffit à établir des potentiels électriques entre la nanoparticule et son milieu ambiant.

Le modèle développé par les chercheurs assimile ces structures microscopiques à des « condensateurs photochimiques » qui stockent l'énergie sous forme de charge de surface. En raison de leur rapport surface/volume élevé, une quantité significative de charge peut s'accumuler dans un espace nanométrique, modifiant les propriétés optiques et chimiques des particules. Le Dr. Koopman a comparé le fonctionnement de ces particules à celui d'électrolyseurs à l'échelle nanométrique, mais sans nécessiter de tension électrique externe fournie par un appareil, une observation corroborée par le Dr. Stete.

Cette observation directe, réalisée in situ, fournit une base physique concrète pour optimiser les systèmes catalytiques pilotés par la lumière. Ce nouveau cadre physique permet d'envisager un contrôle rationnel de l'accumulation dynamique de charge lors des photoreactions plasmoniques. La quantification du phénomène a permis d'établir un modèle de capacité où la tension appliquée est régie par le potentiel chimique des trous générés dans les bandes 5d de l'or. Les expériences ont également démontré l'influence du solvant, de la taille des particules et du type de ligand sur l'efficacité du chargement, validant le modèle capacitif.

Ce travail s'inscrit dans le cadre du Centre de Recherche Collaboratif SFB 1636, financé par la Fondation allemande pour la recherche (DFG) et actif depuis 2024. L'étude, publiée dans Nature Communications et reconnue comme « Editor's Highlight », représente une étape significative pour transformer la compréhension fondamentale en applications énergétiques durables. En comprenant comment la charge excédentaire s'accumule, les scientifiques peuvent désormais orienter les étapes clés de réactions complexes, comme la réduction du CO₂ ou la scission de l'eau, vers des rendements accrus et une sélectivité améliorée.