Récolter plus d'énergie solaire grâce aux supercristaux
Un élan pour une production d'hydrogène plus écologique
L'hydrogène est un élément essentiel de la transition énergétique. Pour l'obtenir à l'aide de l'énergie solaire, les chercheurs de la LMU ont mis au point de nouvelles nanostructures très performantes. Ce matériau détient le record mondial de production d'hydrogène vert à partir de la lumière du soleil.
Lorsqu'Emiliano Cortés part à la recherche de la lumière du soleil, il n'utilise pas de miroirs gigantesques ou de fermes solaires tentaculaires. Au contraire, le professeur de physique expérimentale et de conversion de l'énergie à la LMU plonge dans le nanocosmos. "C'est là où les particules à haute énergie de la lumière solaire, les photons, rencontrent les structures atomiques que commence notre recherche", explique M. Cortés. "Nous travaillons sur des solutions matérielles permettant de capturer et d'utiliser l'énergie solaire de manière plus efficace. Les découvertes de M. Cortés sont très prometteuses, car elles permettent de créer de nouvelles cellules solaires et de nouveaux photocatalyseurs. L'industrie fonde de grands espoirs sur ces derniers, car ils peuvent rendre l'énergie lumineuse accessible pour des réactions chimiques, évitant ainsi de devoir produire de l'électricité. Mais l'utilisation de la lumière du soleil pose un problème majeur, auquel les cellules solaires doivent également faire face, comme le sait M. Cortés : "La lumière du soleil arrive sur Terre "diluée", de sorte que l'énergie par surface est comparativement faible". Les panneaux solaires compensent ce phénomène en couvrant de grandes surfaces.
Toutefois, M. Cortés aborde le problème dans l'autre sens, si l'on peut dire : Avec son équipe du Nano-Institut de la LMU, qui est financé, entre autres, par le pôle d'excellence e-conversion, Solar Technologies go Hybrid (une initiative du Bayerisches Staatsministerium für Wissenschaft und Kunst) et le Conseil européen de la recherche, il développe des nanostructures dites plasmoniques qui peuvent être utilisées pour concentrer l'énergie solaire. Dans une publication récente parue dans la revue Nature Catalysis, M. Cortés, en collaboration avec M. Matías Herran, actuellement à l'Institut Fritz Haber de Berlin, et des partenaires de coopération de l'Université libre de Berlin et de l'Université de Hambourg, présente un supercristal bidimensionnel qui génère de l'hydrogène à partir d'acide formique à l'aide de la lumière du soleil. "Ce matériau est si remarquable qu'il détient le record mondial de production d'hydrogène à l'aide de la lumière du soleil", souligne M. Cortés. C'est une bonne nouvelle pour la production de photocatalyseurs et d'hydrogène en tant que vecteur énergétique, car ils jouent un rôle important dans la réussite de la transition énergétique.
Concentrer l'énergie solaire avec des aimants miniatures
Pour leur supercristal, Cortés et Herrán utilisent deux métaux différents à l'échelle nanométrique. "Nous créons d'abord des particules de l'ordre de 10 à 200 nanomètres à partir d'un métal plasmonique, l'or dans notre cas", explique M. Herrán. "À cette échelle, un phénomène particulier se produit avec les métaux plasmoniques, qui comprennent également l'argent, le cuivre, l'aluminium et le magnésium : la lumière visible interagit très fortement avec les électrons du métal, ce qui les fait osciller de manière résonante. Cela signifie que les électrons se déplacent collectivement très rapidement d'un côté à l'autre de la nanoparticule, créant ainsi une sorte de mini-aimant. Les experts appellent cela un moment dipolaire. "Pour la lumière incidente, il s'agit d'un changement important, de sorte qu'elle interagit ensuite beaucoup plus fortement avec la nanoparticule métallique", explique M. Cortés. "Par analogie, on peut considérer le processus comme une superlentille qui concentre l'énergie. C'est ce que font nos nanomatériaux, mais à l'échelle moléculaire". Les nanoparticules peuvent ainsi capter davantage de lumière solaire et la convertir en électrons à très haute énergie. Ceux-ci, à leur tour, contribuent à alimenter les réactions chimiques.
Les points chauds des nanoparticules libèrent la puissance catalytique
Mais comment exploiter cette énergie ? Pour ce faire, les scientifiques de la LMU ont collaboré avec des chercheurs de l'université de Hambourg. Ils ont disposé des particules d'or de manière ordonnée sur une surface selon le principe de l'auto-organisation. Les particules doivent être très proches les unes des autres, sans se toucher, afin de maximiser les interactions lumière-matière. En collaboration avec une équipe de recherche de la Freie Universität Berlin, qui a étudié les propriétés optiques du matériau, les chercheurs de la LMU ont constaté que l'absorption de la lumière était multipliée. Les réseaux de nanoparticules d'or concentrent la lumière entrante de manière extrêmement efficace, ce qui produit des champs électriques puissants et très localisés, appelés "points chauds"", explique M. Herrán. Ceux-ci se forment entre les particules d'or, ce qui a donné à Cortés et Herrán l'idée de placer des nanoparticules de platine, un matériau catalytique classique et puissant, dans les espaces intermédiaires. C'est ce qu'a fait l'équipe de recherche de Hambourg. "Le platine n'est pas le matériau de choix pour la photocatalyse, car il absorbe mal la lumière du soleil. Cependant, nous pouvons le forcer dans les points chauds pour améliorer cette absorption, par ailleurs médiocre, et alimenter des réactions chimiques avec l'énergie lumineuse. Dans notre cas, la réaction convertit l'acide formique en hydrogène", explique M. Herrán. Avec un taux de production d'hydrogène à partir de l'acide formique de 139 millimoles par heure et par gramme de catalyseur, le matériau photocatalytique détient actuellement le record mondial de production d'hydrogène à partir de la lumière du soleil.
Un élan pour une production d'hydrogène plus verte
Aujourd'hui, l'hydrogène est essentiellement produit à partir de combustibles fossiles, principalement du gaz naturel. Pour passer à une production plus durable, des équipes de recherche du monde entier travaillent sur des technologies qui utilisent des matières premières alternatives, notamment l'acide formique, l'ammoniac et l'eau. L'accent est également mis sur le développement de réacteurs photocatalytiques adaptés à la production à grande échelle. "Des solutions matérielles astucieuses comme les nôtres constituent un élément important pour le succès de la technologie", ont indiqué les deux chercheurs. "En combinant les métaux plasmoniques et catalytiques, nous faisons progresser le développement de photocatalyseurs puissants pour les applications industrielles. Il s'agit d'une nouvelle façon d'utiliser la lumière du soleil qui offre un potentiel pour d'autres réactions telles que la conversion duCO2 en substances utilisables", expliquent M. Cortés et M. Herrán. Les deux chercheurs ont déjà breveté le développement de leur matériau.
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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