Het nabootsen van fotosynthese in planten, licht gebruiken om stabiele en overvloedige moleculen zoals water en CO2 om te zetten in een energierijke brandstof (waterstof) of in chemicaliën van industrieel belang, is tegenwoordig een grote onderzoeksuitdaging. Echter, het bereiken van kunstmatige fotosynthese in oplossing blijft beperkt door het gebruik van kostbare en giftige op metaal gebaseerde verbindingen om licht te oogsten. Onderzoekers van CNRS, CEA en de Université Grenoble Alpes stellen een efficiënt alternatief voor met halfgeleider nanokristallen (ook wel quantum dots genoemd) op basis van goedkopere en minder giftige elementen, zoals koper, indium en zwavel. Hun werk werd gepubliceerd in Energie en milieuwetenschappen op 10 april 2018.

In kunstmatige fotosynthesesystemen chromoforen, of "fotosensibilisatoren", lichtenergie absorberen en elektronen overbrengen naar de katalysator, die de chemische reactie activeert. Hoewel er de afgelopen jaren veel vooruitgang is geboekt bij de ontwikkeling van katalysatoren zonder edelmetalen, fotosensitizers vertrouwen nog steeds, in het algemeen, over moleculaire verbindingen die zeldzame en kostbare metalen bevatten, zoals ruthenium en iridium, of op anorganische halfgeleidermaterialen die cadmium bevatten, een giftig metaal.

Voor de eerste keer, onderzoekers van het Département de Chimie Moléculaire (CNRS/Université Grenoble Alpes) en SyMMES (CNRS/CEA/Université Grenoble Alpes)1 hebben aangetoond, door hun expertise in halfgeleidertechnologie en fotokatalyse te bundelen, dat het mogelijk is zeer efficiënt waterstof te produceren door anorganische halfgeleider nanokristallen (quantum dots) te combineren, gevormd uit een koper- en indiumsulfidekern beschermd door een zinksulfideschil, met een op kobalt gebaseerde moleculaire katalysator. Dit "hybride" systeem combineert de uitstekende absorptie-eigenschappen van zichtbaar licht en de grote stabiliteit van anorganische halfgeleiders met de efficiëntie van moleculaire katalysatoren. In aanwezigheid van een teveel aan vitamine C, die elektronen aan het systeem levert, het vertoont opmerkelijke katalytische activiteit in water, de beste tot nu toe verkregen met cadmiumvrije quantum dots. De prestatie van dit systeem is veel hoger dan die verkregen met een op ruthenium gebaseerde fotosensitizer, vanwege de zeer hoge stabiliteit van anorganische kwantumdots, die meerdere keren kan worden gerecycled zonder noemenswaardig verlies van activiteit.

Deze resultaten tonen het grote potentieel van dergelijke hybride systemen voor waterstofproductie met behulp van zonne-energie.