Des scientifiques ont mis au point des nanoparticules catalytiques innovantes capables de produire de façon plus efficace du dihydrogène, carburant des piles à combustible, à partir de lumière et de l’eau. Grâce à une architecture dissymétrique inspirée du dieu Janus, ces particules exploitent une nouvelle approche de la photocatalyse ouvrant la voie à des technologies énergétiques plus propres et plus efficaces.
Pour relever les défis liés à la disparition progressive des ressources fossiles, de nombreuses recherches se focalisent sur la production d’énergies renouvelables. L’utilisation d’énergie solaire est, par exemple, une piste prometteuse qui nécessite d’y associer un stockage sous forme, par exemple, de produits chimiques combustibles. Dans ce contexte, l’hydrogène (H2) intéresse vivement les chimistes. Carburant propre, il permet en effet de générer dans des piles à combustible de l’électricité en ne rejetant que de l’eau au cours de sa combustion.
Des scientifiques de l’Institut des sciences moléculaires (CNRS/Université de Bordeaux/Bordeaux INP) et du Laboratoire de l’intégration du matériau au système (CNRS/Université de Bordeaux/Bordeaux INP) ont ainsi développé des nanoparticules catalytiques qui utilisent la lumière pour produire de l’hydrogène « vert » par photolyse de l’eau, et sans générer de pollution. Grace à une approche originale, ils sont parvenus à déposer le catalyseur sur une seule des deux faces de semi-conducteurs organiques. Ils constatent que les nanoparticules dissymétriques ainsi formées produisent beaucoup plus de H2 lors d’une irradiation avec de la lumière que lorsqu’elles sont aléatoirement recouvertes par le catalyseur.
Ils montrent que cette dissymétrie liée à la présence de deux faces distinctes (recouverte ou non de catalyseur), qui confère aux nanoparticules catalytiques un caractère bifonctionnel, augmente jusqu’à 500% leur efficacité dans la production d’hydrogène.
Le dépôt du catalyseur sur ces nanoparticules semi-conductrices repose sur un concept particulier baptisé électrochimie bipolaire. En leur appliquant un champ électrique entre deux électrodes en solution et sous irradiation lumineuse, celles-ci se polarisent et acquièrent des charges opposées à leurs extrémités. On obtient alors des particules dites « de Janus », en référence au Dieu romain à deux visages. Elles peuvent alors subir des réactions d’oxydo-réduction différentes à chacune des extrémités dont l’une fixera préférentiellement le catalyseur. Une fois re-dispersées dans l’eau, prêtes à l’emploi, elles convertissent l’énergie solaire en hydrogène avec une bien plus grande efficacité que leur homologue ne présentant pas ce caractère « Janus ».
Ces résultats, publiés dans la revue Chemical Science, montrent pour la première fois qu’une rupture de symétrie de l’architecture des particules permet d’augmenter de manière très significative leur efficacité catalytique de la conversion lumière/hydrogène. Un nouveau concept qui peut s’appliquer non seulement à la photogénération de H2, mais qui pourrait être adapté à une grande variété d’autres processus (photo)catalytiques comme la réduction du CO2.
Khaoula Missaoui, Guillaume Wantz, Thierry Toupance, Sylvain Chambon & Alexander Kuhn
Article : « Targeted design of organic Janus particles for improved photocatalytic hydrogen evolution » – DOI : 10.1039/D5SC00802F / Chemical Science 2025
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