Nanocomposites nitrure de carbone graphitique–graphène réduit (g-C3N4@r-GO) pour la production photocatalytique d’hydrogène par scission de l’eau et des supercondensateurs électrochimiques haute performance

Énergie propre à partir d’éléments du quotidien

Le combustible hydrogène et le stockage d’énergie rechargeable et rapide sont souvent présentés comme deux défis technologiques séparés. Cette étude montre comment les deux peuvent être abordés simultanément à l’aide d’un seul matériau sans métaux, composé d’éléments abondants comme le carbone et l’azote. En mélangeant soigneusement une poudre jaune absorbant la lumière (nitrure de carbone graphitique) avec des feuillets de carbone ultra‑fins (oxyde de graphène réduit), les chercheurs ont créé un matériau « deux‑en‑un » capable d’utiliser la lumière du soleil pour scinder l’eau en hydrogène et, simultanément, de fonctionner comme un supercondensateur haute performance pour stocker l’énergie électrique.

Construire une éponge plus intelligente pour la lumière et la charge

Au cœur du travail se trouve un composite appelé g‑C3N4@r‑GO, où le nitrure de carbone graphitique (g‑C3N4) est combiné à des feuillets d’oxyde de graphène chimiquement réduits pour mieux conduire l’électricité. Pris séparément, le g‑C3N4 absorbe la lumière mais conduit mal l’électricité, tandis que les matériaux à base de graphène conduisent bien mais ne scindent pas efficacement l’eau. En empilant ces deux composants en contact intime, l’équipe crée une sorte de jonction p–n électronique — un champ électrique interne qui aide à séparer les charges positives et négatives générées par l’illumination. Ils ont testé deux agents réducteurs doux, la vitamine C (acide ascorbique) et le borohydrure de sodium, pour ajuster la conductivité et la connectivité des feuillets de graphène.

Plongée dans l’architecture à l’échelle nanométrique

Pour comprendre pourquoi un composite surpassait les autres, les auteurs ont utilisé un ensemble d’outils structuraux et optiques. Des images au microscope électronique ont révélé comment les poudres sont constituées de flocons empilés et de particules en forme de tige ; dans une version, des creux peu profonds apparaissent et peuvent piéger et recombiner les charges au lieu de les laisser effectuer un travail utile. La diffraction des rayons X a montré le degré d’ordre des couches atomiques, tandis que la spectroscopie infrarouge et UV‑visible a révélé comment les liaisons chimiques et les caractéristiques d’absorption de la lumière évoluent lorsque le g‑C3N4 est couplé au graphène. Le meilleur performeur, préparé avec de l’acide ascorbique, présentait la plus petite bande interdite effective (seuil d’énergie pour l’absorption de la lumière) et des signes d’interaction forte entre les deux composants, ce qui favorise à la fois la collecte de la lumière et le flux d’électrons.

Transformer la lumière et l’eau en hydrogène

Quand les composites ont été placés dans de l’eau contenant une petite quantité de méthanol et éclairés avec une lampe au xénon, ils ont produit de l’hydrogène à des vitesses très différentes. Le g‑C3N4 pur et l’oxyde de graphène seuls ont généré relativement peu d’hydrogène. En revanche, le matériau g‑C3N4@r‑GO réduit par vitamine C a produit 339,82 micromoles d’hydrogène par heure et par gramme de catalyseur, avec une efficacité quantique apparente de 2,52 % à 420 nanomètres. Cela représente plus de cinq fois plus d’hydrogène que certains de ses homologues dans les mêmes conditions. Des tests sur plusieurs cycles ont montré que le matériau conservait près de 90 % de sa capacité de production d’hydrogène après trois essais, indiquant une bonne stabilité et une bonne recyclabilité sans recourir à des métaux coûteux ou toxiques.

Fonctionner comme un réservoir d’énergie à grande vitesse

Le même composite a également été pressé en électrodes et immergé dans une solution alcaline pour tester ses performances en tant que supercondensateur — un dispositif qui stocke et libère la charge très rapidement. À l’aide de mesures électrochimiques standard, les chercheurs ont constaté que l’électrode g‑C3N4@r‑GO (acide ascorbique) atteignait une capacité spécifique d’environ 323 farads par gramme à faibles vitesses de balayage, surpassant plusieurs matériaux similaires rapportés dans la littérature. Même après 5000 cycles de charge–décharge à courant relativement élevé, elle conservait presque 79 % de sa capacité initiale, montrant que la structure résiste à une utilisation répétée. Les couches de graphène offrent des voies rapides pour les électrons, tandis que les sites riches en azote du nitrure de carbone aident à stocker la charge via des réactions réversibles avec les ions en solution.

Pourquoi cela compte pour les systèmes énergétiques futurs

Pour les non‑spécialistes, le message clé est que des matériaux à base de carbone soigneusement conçus peuvent remplir deux fonctions dans un avenir énergétique propre : ils peuvent aider à produire de l’hydrogène à partir de l’eau en utilisant la lumière du soleil et servir de dispositifs de stockage d’énergie robustes et à charge rapide. En évitant les métaux précieux ou toxiques et en utilisant une chimie douce comme la réduction par vitamine C, l’étude ouvre la voie à des méthodes moins coûteuses et plus durables pour la production d’hydrogène à grande échelle et des supercondensateurs à haute puissance. Bien que des travaux supplémentaires soient nécessaires sur la sécurité, la montée en échelle et l’intégration dans des dispositifs réels, ces composites g‑C3N4@r‑GO nous rapprochent d’une boîte à outils pratique et sans métaux pour produire et stocker l’énergie renouvelable.

Citation: Nagar, O.P., Kameliya, M., Gurbani, N. et al. Graphitic carbon nitride–reduced graphene oxide (g-C₃N₄@r-GO) nanocomposites for photocatalytic hydrogen production by water splitting and high-performance electrochemical supercapacitors. Sci Rep 16, 5465 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35069-5

Mots-clés: production d’hydrogène, scission de l’eau, composite à base de graphène, supercondensateur, énergie solaire