Synthèse et évaluations des performances de ZnCoS/ZnCdS avec structure à deux cristaux pour la photocatalyse redox multifonctionnelle dans les applications énergétiques

Notre équipe étudie les nanostructures hybrides pour l’énergie propre et les environnements, en se concentrant sur les mécanismes nanocatalytiques pour améliorer l’efficacité, la sélectivité et la scalabilité de la conversion solaire en chimique ainsi que la réhabilitation environnementale via la photocatalyse et l’électrocatalyse. Les avancées récentes incluent les nanomatériaux 2D, les nanocomposites à base de carbone et les hétérojonctions à base de métabisulfites pour les applications photoredox dans l’évolution de l’hydrogène, la conversion du CO2, la reformation plastique et la synthèse organique, améliorant ainsi l’efficacité chimique et la durabilité du solaire. Mon travail s’est concentré sur la création de nanocatalyseurs avancés pour la photosynthèse artificielle et la catalyse photothermique, réalisant des améliorations significatives dans la production d’hydrogène et de gaz de syn alimentés par le solaire tout en centrant la chimie fondamentale des surfaces et les mécanismes de réaction qui favorisent les conversions énergétiques durables.

Notre protocole exploite le sulfure de zinc et de cuivre plutôt que le sulfure de zinc-cadmium entre jonctions à poussée rapide, wurtzite et zincblende, ainsi que des réservoirs d’électrons sulfurés de zinc et cuivre, permettant des séparations supérieures de charge, des utilisations de la lumière visible, ainsi que des évolutions à double fonction d’hydrogène et de production de benzaldéhyde avec une efficacité nettement accrue. Mes recherches futures portent sur la conception de photocatalyseurs et électrocatalyseurs avancés pour la conversion du monoxyde de carbone, la conversion du méthane, la transformation du nitrate en ammoniac, la production et le stockage de l’hydrogène, la conversion de biomasse et le recyclage du plastique, dans le but d’atteindre des applications solaires en énergie chimique évolutives, efficaces et durables avec une efficacité supérieure à 5 %. Pour commencer, placez un bécher de 100 millilitres sur la surface de travail et versez 40 millilitres de solution d’éthylène glycol dedans. À l’aide d’une spatule, ajoutez du dihydrate d’acétate de zinc, du tétrahydrate d’acétate de cobalt et de la thioacétamide dans la solution.

Soumettez la solution à un traitement ultrasonique pendant 30 minutes. Puis remuez continuellement pendant quatre heures à température ambiante. Transférez le mélange obtenu dans un autoclave en acier inoxydable doublé de polymère synthétique de 100 millilitres.

Ensuite, transférez la solution dans un four préchauffé et chauffez à 180 degrés Celsius pendant 12 heures. À l’aide d’une centrifugeuse, collectez le précipité gris foncé. Ensuite, lavez le précipité trois fois, chacune avec de l’eau déionisée et de l’éthanol.

Faites sécher l’échantillon gris foncé lavé au four toute la nuit à 60 degrés Celsius pour obtenir une poudre de sulfure de zinc cobalt gris foncé. Pour synthétiser du sulfure de zinc cadmium, versez 40 millilitres d’eau déionisée dans un bécher de 100 millilitres. À l’aide d’une spatule, ajoutez de l’acétate de zinc dihydraté, de l’acétate de cadmium dihydrate, de l’hydrate de sodium sulfuré et de la thioacétate dans la solution.

Soumettez la solution à un traitement ultrasonique pendant 30 minutes, puis remuez pendant trois heures à température ambiante. Ensuite, ajoutez 0,2 molaire d’hydroxyde de sodium en solution aqueuse goutte dans la solution remuée pour ajuster le pH à 7,0. Transférez la solution ajustée dans un autoclave en acier inoxydable de 100 millilitres doublé de polymère synthétique.

Ensuite, placez la solution au four et chauffez-la à 180 degrés Celsius pendant 24 heures. À l’aide d’une centrifugeuse, collectez le précipité jaunâtre, puis lavez les précipités trois fois chacune avec de l’eau déionisée et de l’éthanol. Transférez le précipité jaunâtre lavé dans un four et séchez-le toute la nuit à 60 degrés Celsius pour obtenir une poudre solide de sulfure de zinc cadmium.

Pour synthétiser le photocatalyseur, dissoudez 4 milligrammes de sulfure de zinc-cobalt et 0,196 gramme de sulfure de zinc cadmium dans 40 millilitres d’eau déionisée. Après l’ultrasonicisation, collectez le précipité jaunâtre, puis lavez l’échantillon trois fois, chacune avec de l’eau déionisée et de l’éthanol. Transférez le précipité jaunâtre lavé dans un four et séchez-le toute la nuit à 60 degrés Celsius.

Le produit final est une poudre solide de sulfure de zinc cobalt jaunâtre et de sulfure de zinc cadmium. Ajoutez 20 milligrammes du photocatalyseur synthétisé et 60 millilitres de solution aqueuse à l’alcool benzylique dans un bécher de 100 millilitres. Placez le bécher dans un nettoyeur ultrasonore et effectuez l’ultrasonicisation pendant 30 minutes.

Ensuite, transférez la solution dans une cellule réactrice à irradiation supérieure à trois cols et insérez une barre d’agitation magnétique. Maintenez la solution sous un brassage lent tout au long du processus de réaction. Ensuite, connectez un piège à humidité au côté aval de la cellule du réacteur.

Ensuite, connectez la sortie à l’entrée de la boucle d’échantillonnage de gaz du système de chromatographie en phase gazeuse. De plus, connectez la sortie de la boucle d’échantillonnage de gaz à l’entrée de la cellule du réacteur pour former un système de circulation gazeuse fermé. Scellez le réacteur avec une fenêtre en verre.

Ensuite, purgez l’azote à un débit de 50 millilitres par minute à travers le réacteur pendant 30 minutes afin d’éliminer tout l’air à l’intérieur. Maintenant, allumez la pompe péristaltique et réglez le débit à 20 millilitres par minute pour faire circuler l’azote dans le système de circulation fermé. Allumez la lampe au xénon à 15 volts et positionnez-la de façon à ce que la lumière passe à travers la vitre et atteigne la solution à l’intérieur du réacteur.

Une fois la réaction terminée, à l’aide d’un filtre à seringue nylon de 0,22 micromètre, filtrez un millilitre de la suspension. Diluez la suspension filtrée avec de l’eau déionisée dans un ratio de 1 à 9. Enfin, utilisez un système de chromatographie liquide haute performance équipé d’un détecteur à matrice de photodiodes et d’une colonne haute performance de 100 Angstrom.

Les images de microscopie électronique à transmission à haute résolution ont confirmé la coexistence des phases zincblende et wurtzite dans le sulfure de zinc-cadmium, et une frontière d’interphase distinguait clairement les deux domaines cristallins. La structure d’interphase de l’hétérojonction sulfure de zinc-cobalt et sulfure de zinc-cadmium a été observée distinctement, démontrant l’intégration réussie du sulfure de zinc-cobalt sur les interphases zincblende et wurtzite du sulfure de zinc-cadmium. Les spectres d’absorption visible aux UV ont montré que le sulfure de zinc-cadmium avait une absorption plus élevée dans la région visible que le sulfure de zinc-cobalt, et que l’hétérojonction sulfure de zinc-cobalt et sulfure de zinc-cadmium présentaient une absorption légèrement améliorée par rapport au sulfure de zinc-cadmium seul.

La bande interdite optique du sulfure de zinc-cadmium a été calculée à environ 2,49 électrons selon l’analyse du diagramme de dialogue. Les isothermes d’adsorption/désorption d’azote ont révélé que les échantillons de sulfure de zinc cobalt et de sulfure de zinc cadmium présentaient des caractéristiques mésoporeuses, avec une forte augmentation de l’adsorption à une pression relative proche de 1,0. La répartition des pores du sulfure de zinc-cobalt et du sulfure de zinc cadmium était concentrée principalement entre 25 et 35 nanomètres, confirmant la nature mésoporeuse du matériau.