Scinder l’eau avec la lumière : photocatalyse sur TiO₂
Éclairer un film de TiO₂ dans l’eau avec des UV et observer électrons et trous produire H₂ et O₂ — la photosynthèse artificielle.
Objectif
Suivre la chaîne photon → paire e⁻–h⁺ → H₂/O₂ et comprendre pourquoi TiO₂ exige l’UV plutôt que le visible.
Matériel et réactifs
Film ou poudre de TiO₂ (rutile ou anatase), eau avec un peu de NaOH ou d’électrolyte, lampe UV (~365 nm), tubes de recueil pour H₂ et O₂, lunettes anti-UV.
Procédure
- Commencer lampe éteinte et confirmer qu’aucun gaz ne se dégage du TiO₂ dans le noir.
- Allumer la lampe UV et suivre les paires e⁻–h⁺ vers les sites de réduction (H₂) et d’oxydation (O₂).
- Comparer les volumes de gaz recueillis : attendre environ deux fois plus de H₂ que d’O₂.
- Discuter quels photons marchent : l’anatase TiO₂ a Eg ≈ 3,2 eV, donc seul λ ≲ 390 nm est absorbé.
À observer
- Le gaz n’apparaît que sous UV : dans le noir, le semiconducteur reste inerte faute de paires e⁻–h⁺.
- Le volume de H₂ est environ le double de celui d’O₂, conforme à la stœchiométrie 2:1 de 2 H₂O → 2 H₂ + O₂.
Explication
Un photon hν ≥ Eg promeut un électron vers la bande de conduction, laissant un trou dans la bande de valence. Les électrons réduisent H⁺ en H₂ (2 H⁺ + 2 e⁻ → H₂) tandis que les trous oxydent l’eau en O₂ (4 h⁺ + 2 H₂O → O₂ + 4 H⁺). La dissociation de l’eau exige ΔG = +237 kJ/mol (≈1,23 V par électron) : les bords de bande du catalyseur doivent encadrer les potentiels H⁺/H₂ et O₂/H₂O — le TiO₂ y parvient, mais seulement sous UV ; voilà pourquoi les photocatalyseurs actifs en visible restent un front de recherche.
Histoire de l’expérience
Chimistes associés
Sujets liés
Expérience virtuelle : un modèle simplifié pour construire l’intuition. Elle ne remplace ni le travail réel en laboratoire ni la formation à la sécurité ; ne la reproduisez pas chez vous sans encadrement.