Une avancée majeure dans la production d’hydrogène propre
Des chercheurs de l’Université d’État de l’Oregon ont réalisé une découverte révolutionnaire dans le domaine des énergies renouvelables. Sous la direction de Kyriakos Stylianou, l’équipe a mis au point un photocatalyseur capable de transformer efficacement la lumière du soleil et l’eau en hydrogène. Cet hydrogène peut ensuite être utilisé dans des piles à hydrogène pour alimenter des véhicules, ainsi que dans la fabrication de divers produits chimiques, le raffinage des métaux et la production de plastiques.
Un matériau innovant pour un avenir durable
Ce matériau novateur pourrait jouer un rôle crucial dans la réduction des émissions de gaz à effet de serre et la lutte contre le changement climatique. Stylianou a concentré ses recherches sur les structures organiques métalliques, ce qui a conduit à cette avancée significative dans la production d’énergie durable.
Les structures organiques métalliques (MOFs)
Les MOFs sont composés d’ions métalliques chargés positivement, entourés de molécules organiques appelées « linkers », qui possèdent des pores de taille nanométrique et des propriétés structurelles ajustables. Ces structures peuvent être personnalisées avec différents composants pour définir leurs caractéristiques.
Création d’une hétérojonction pour une catalyse efficace
Dans cette étude, un MOF a été utilisé pour créer une hétérojonction d’oxyde métallique, une combinaison de deux matériaux aux propriétés complémentaires, permettant de concevoir un catalyseur qui décompose rapidement l’eau en hydrogène sous l’effet de la lumière solaire.
Cette hétérojonction, désignée sous le nom de RTTA, est composée d’oxyde de ruthénium et d’oxyde de titane dérivés des MOFs, tous deux dopés avec du soufre et de l’azote. Plusieurs variantes de RTTAs avec des proportions différentes d’oxydes ont été testées, ce qui a permis d’identifier un modèle particulièrement performant.
Des résultats impressionnants
« Parmi les différents matériaux RTTA, RTTA-1, avec la plus faible teneur en oxyde de ruthénium, a montré le taux de production d’hydrogène le plus rapide et un rendement quantique élevé, » a déclaré Stylianou. Il a noté qu’en une heure, un gramme de RTTA-1 pouvait générer plus de 10 700 micromoles d’hydrogène. Ce mécanisme a utilisé des photons avec une efficacité impressionnante de 10 %, ce qui signifie que sur chaque 100 photons frappant RTTA-1, 10 ont contribué à la production d’hydrogène.
Une méthode plus propre pour produire de l’hydrogène
« L’activité remarquable de RTTA-1 est due aux effets synergiques des propriétés des oxydes métalliques et des caractéristiques de surface du MOF parent qui améliorent le transfert d’électrons, » a ajouté Stylianou. « Cette étude met en lumière le potentiel des hétérojonctions d’oxydes métalliques dérivées des MOFs en tant que photocatalyseurs pour une production d’hydrogène pratique, contribuant au développement de solutions énergétiques durables et efficaces. »
En matière de production d’hydrogène, l’utilisation d’un processus catalytique pour décomposer l’eau représente une alternative beaucoup plus propre par rapport à la méthode traditionnelle qui consiste à extraire l’hydrogène du gaz naturel. Actuellement, le processus utilise l’électrocatalyse, qui implique de faire passer de l’électricité à travers le catalyseur. Pour que cette méthode soit véritablement durable, il est essentiel de s’appuyer sur des sources d’énergie renouvelables. De plus, pour être compétitif sur le marché, le coût de l’énergie doit être abordable.
Actuellement, le coût de production d’hydrogène par reformage de méthane à la vapeur est d’environ 1,50 $ par kilogramme, tandis que la production d’hydrogène vert s’élève à environ 5 $ par kilogramme.
« L’eau est une source abondante d’hydrogène, et la photocatalyse offre un moyen d’exploiter l’énergie solaire abondante de la Terre pour la production d’hydrogène, » a déclaré Stylianou. « L’oxyde de ruthénium n’est pas bon marché, mais la quantité utilisée dans notre photocatalyseur est minimale. Pour des applications industrielles, si un catalyseur montre une bonne stabilité et une bonne reproductibilité, le coût de cette petite quantité d’oxyde de ruthénium devient moins significatif. »
Référence de l’étude
- Emmanuel N. Musa, Ankit K. Yadav, Kyle T. Smith, Min Soo Jung, William F. Stickle, Peter Eschbach, Xiulei Ji, Kyriakos Stylianou. Amélioration de la production d’hydrogène photocatalytique par des hétérojonctions d’oxydes métalliques dérivées de MOF avec un rendement quantique apparent de 10,0 %. Angewandte Chemie, 2024; DOI: 10.1002/anie.202405681
