Nouveaux catalyseurs pour la production d'hydrogène solaire
Des chercheurs de la TU Wien mettent au point un photocatalyseur en couches qui peut être utilisé pour produire très efficacement de l'hydrogène à partir de l'eau
La recherche de carburants durables et propres est cruciale dans le contexte actuel de crise énergétique et climatique mondiale. L'hydrogène est un candidat prometteur qui gagne de plus en plus en importance. Cependant, la production industrielle actuelle d'hydrogène a encore une empreinteCO2 considérable, surtout si l'on considère des procédés comme le reformage à la vapeur ou l'électrolyse non durable.
Une équipe dirigée par le professeur Dominik Eder de l'Institut de chimie des matériaux (TU Wien) se concentre donc sur le développement de procédés respectueux de l'environnement pour obtenir de l'hydrogène, par exemple par photocatalyse. Ce procédé permet de convertir des molécules d'eau en hydrogène grâce à la lumière et à un catalyseur. Grâce à ce processus, l'énergie solaire, abondante et propre, peut être stockée dans les liaisons chimiques de ce que l'on appelle le carburant solaire. Les résultats ont été publiés récemment dans la revue scientifique "Advanced Energy Materials".
Nouveaux photocatalyseurs
Lors de la production d'hydrogène vert par photocatalyse, le catalyseur joue un rôle crucial. Contrairement aux catalyseurs industriels, un photocatalyseur utilise l'énergie de la lumière pour faciliter la séparation de l'eau à température et pression ambiantes. Parmi les candidats les plus prometteurs, on trouve les cadres métallo-organiques, appelés MOF. Ils sont constitués d'unités de construction moléculaires inorganiques maintenues ensemble par des molécules de liaison organiques. Ensemble, ils forment des réseaux 3D très poreux qui présentent une surface exceptionnellement grande et d'excellentes propriétés de séparation des charges.
Cependant, la plupart des MOF ne sont actifs que sous irradiation UV, c'est pourquoi la communauté modifie les composés organiques pour les rendre capables d'absorber la lumière visible. Ces modifications ont toutefois une influence négative sur la mobilité des électrons. Une autre limitation concerne l'extraction de charge, où les électrons sont libérés du matériau : "Si les MOF sont effectivement très efficaces pour séparer les porteurs de charge aux interfaces organiques-inorganiques, leur extraction efficace à des fins catalytiques reste un défi", explique Dominik Eder.
Récemment, les MOF à structure stratifiée ont suscité beaucoup d'intérêt pour des applications optoélectroniques, car ils présentent des propriétés d'extraction de charge nettement améliorées. "On peut imaginer ces structures en couches comme un Manner Schnitte, où la gaufre est la partie inorganique et le chocolat est le ligand organique qui les maintient ensemble", explique Pablo Ayala, auteur principal de l'étude. "Il suffit de rendre la partie gaufrée conductrice.
Les défis de la séparation de l'eau
Contrairement aux MOF 3D, les MOF en couches ne sont généralement pas poreux, ce qui réduit la zone catalytiquement active à la surface externe des particules. "Nous avons donc dû trouver un moyen de rendre ces particules aussi petites que possible", explique M. Eder. Cependant, la nanostructuration des matériaux s'accompagne souvent de l'introduction de défauts structurels. Ceux-ci peuvent agir comme des pièges à charges et ralentir l'extraction des charges. "Personne n'aime un Manner Schnitte auquel il manque du chocolat", poursuit Ayala dans sa comparaison. "Dans le cas de la photocatalyse, nous avons également besoin du meilleur matériau possible.
L'équipe de Dominik Eder a donc mis au point une nouvelle voie de synthèse qui permet de produire des structures cristallines exemptes de défauts, même les plus petites. Ce résultat a été obtenu en collaboration avec des universités locales et internationales. Les nouveaux MOF en couches sont basés sur le titane et ont une forme cubique de quelques nanomètres seulement. Le matériau a déjà permis d'atteindre des valeurs record dans la production photocatalytique d'hydrogène sous l'influence de la lumière visible.
Grâce à des simulations informatiques réalisées au Technion en Israël, l'équipe a pu élucider le mécanisme de réaction sous-jacent et a démontré deux choses : Premièrement, la nature stratifiée du MOF est effectivement la clé d'une séparation et d'une extraction efficaces des charges. Deuxièmement, les défauts des ligands manquants agissent comme des pièges à charges indésirables qu'il faut éviter autant que possible pour améliorer les performances photocatalytiques du matériau.
Le groupe de recherche conçoit actuellement de nouveaux MOF en couches et les explore pour diverses applications énergétiques.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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