Des chercheurs de l’Institute for Advanced Studies in Basic Sciences (IASBS) à Zanjan, en collaboration avec des scientifiques de l’Université polytechnique de Valence, ont réussi à concevoir un nanocomposite magnétique capable de convertir le gaz extrêmement toxique H₂S en hydrogène avec une grande efficacité.
Selon le rapport, cette étude a permis de construire une nouvelle structure de jonction p–n à partir de deux semi-conducteurs, CoMn₂O₄ et MgFe₂O₄, dont les performances photocatalytiques et les propriétés magnétiques ont été considérablement améliorées grâce à l’incorporation de nanotubes de carbone (CNTs). La présence des CNTs a réduit la recombinaison électron–trou, facilité le transfert de charge et augmenté la surface active du matériau, ce qui a finalement accru l’efficacité de production d’hydrogène d’environ 60 %. Cette avancée offre une voie à faible coût et respectueuse de l’environnement pour convertir des substances dangereuses en carburant propre.
La transformation de polluants dangereux en ressources énergétiques valorisables est devenue l’un des principaux défis attirant l’attention des chercheurs en énergie et en environnement au cours des dernières décennies. Le sulfure d’hydrogène (H₂S), généré dans les industries pétrolières et gazières, les stations d’épuration et les procédés chimiques, figure parmi les polluants les plus toxiques, corrosifs et menaçants pour l’environnement. Sa gestion est coûteuse et complexe ; toutefois, s’il est décomposé et converti de manière contrôlée, il peut devenir une source d’hydrogène, l’un des vecteurs énergétiques les plus propres et les plus polyvalents. Cette double nature souligne la nécessité croissante de développer des technologies innovantes pour le traitement et le recyclage du H₂S.
Dans ce contexte, les chercheurs de l’IASBS, en collaboration avec une équipe de l’Université polytechnique de Valence et du Conseil national espagnol de la recherche (CSIC), ont développé un matériau photocatalytique entièrement nouveau, doté d’une architecture nanostructurée et de propriétés magnétiques, qui présente des performances exceptionnelles pour la conversion du H₂S en hydrogène sous irradiation lumineuse. L’objectif de cette recherche est d’établir une voie de production d’hydrogène à faible coût, durable et évolutive. Les résultats montrent qu’en s’appuyant sur des matériaux abondants et la nanotechnologie, il est possible d’apporter une solution efficace et industriellement viable à ce défi.
L’innovation centrale de ce travail réside dans la fabrication d’un nanocomposite magnétique basé sur une jonction p–n formée entre deux semi-conducteurs : CoMn₂O₄ en tant que semi-conducteur de type p et MgFe₂O₄ en tant que semi-conducteur de type n. La création d’une jonction p–n à l’échelle nanométrique permet une séparation plus efficace des électrons et des trous photo-générés et empêche leur recombinaison rapide, l’un des principaux obstacles à l’amélioration de l’efficacité des photocatalyseurs.
Un tournant majeur de l’étude a été l’intégration de nanotubes de carbone afin d’améliorer davantage les performances de cette structure. La présence des CNTs a produit plusieurs effets simultanés : une augmentation significative de la surface active, la création de voies conductrices rapides pour le transport des charges et une meilleure séparation des paires électron–trou. Ensemble, ces facteurs ont conduit à une conversion beaucoup plus efficace du H₂S en hydrogène.
Selon les résultats, la production maximale d’hydrogène a été obtenue pour des composites présentant un rapport molaire p:n de 1:2. L’ajout de CNTs a augmenté l’efficacité de production d’hydrogène d’environ 60 % par rapport aux échantillons sans CNTs, ce qui constitue une amélioration remarquable par rapport aux photocatalyseurs conventionnels. Des analyses spectroscopiques telles que l’EPR, la décroissance de photoluminescence (PL), ainsi que des mesures de photocourant et d’impédance, ont confirmé que les CNTs réduisent les taux de recombinaison électron–trou et améliorent les capacités de stockage et de transfert de charge.
Une autre caractéristique opérationnelle importante de ce nanocomposite est sa propriété magnétique, qui permet de récupérer et de recycler facilement le photocatalyseur à l’aide d’un simple champ magnétique après la réaction. Dans les applications industrielles, où les volumes de matériaux et les coûts de séparation sont des enjeux critiques, cet avantage peut jouer un rôle décisif dans la faisabilité économique du procédé. Les résultats des tests VSM et des analyses XPS ont également confirmé que les CNTs améliorent non seulement les performances optiques, mais aussi le comportement magnétique du composite.
Les observations en microscopie électronique en transmission (TEM) ont par ailleurs confirmé l’existence d’une véritable jonction p–n entre les phases à l’échelle atomique, démontrant que la structure conçue a été formée conformément aux objectifs et que les performances accrues résultent d’une ingénierie nanostructurale précise.
Dans l’ensemble, cette recherche trace une nouvelle voie pour la conception de matériaux photocatalytiques de nouvelle génération, capables, grâce à l’utilisation d’éléments abondants et de la nanotechnologie, de convertir des polluants dangereux en vecteurs d’énergie propre. L’intégration de propriétés optiques, électriques et magnétiques dans une structure unique et évolutive pourrait ouvrir la voie au développement de réacteurs solaires industriels réduisant l’empreinte environnementale des industries tout en contribuant à une économie fondée sur l’hydrogène.
Les résultats de cette équipe montrent que l’ajout de nanotubes de carbone à un photocatalyseur magnétique basé sur une jonction p–n va bien au-delà d’une simple modification. Il crée effectivement une nanoplatforme multifonctionnelle qui améliore la réactivité, favorise la séparation des charges, augmente la surface active et permet une récupération rapide. De telles structures peuvent constituer la base d’une nouvelle génération de matériaux d’énergie propre pour la production d’hydrogène, la dépollution et le développement des technologies solaires.
Les résultats de ce projet ont été publiés dans un article intitulé « Highly effective CNT-based magnetic p–n junction nanocomposite photocatalyst/solar-energy material for hazmat conversion to hydrogen fuel » dans la revue Composites Part B: Engineering.