Un nouveau matériau s’avère être l’un des photocatalyseurs les plus efficaces pour la production de peroxyde d’hydrogène à partir de l’énergie solaire.
Le peroxyde d’hydrogène (H2O2) concentre tellement d’énergie chimique dans un espace réduit qu’il est suffisamment puissant pour alimenter des fusées. Mais cette même capacité à concentrer l’énergie rend également le peroxyde d’hydrogène utile pour des applications énergétiques plus terrestres, telles que l’alimentation des piles à combustible. Il est également prometteur en tant que source d’énergie verte et durable : lorsque le peroxyde d’hydrogène libère l’énergie qu’il stocke, le principal sous-produit est simplement de l’eau.
Huabin Zhang et son équipe de la KAUST, en collaboration avec des collègues chinois et américains, ont mis au point un matériau qui augmente considérablement la production de peroxyde d’hydrogène. « Nous avons proposé une stratégie pratique pour réguler l’état chimique d’un catalyseur au niveau atomique », indique Chengyang Feng, membre de l’équipe KAUST.
L’approche conventionnelle de la production de peroxyde d’hydrogène à l’échelle industrielle nécessite plusieurs solvants organiques toxiques pour l’environnement. Une approche beaucoup plus respectueuse de l’environnement consiste à utiliser un système photocatalytique alimenté par la lumière du soleil.
Ces systèmes génèrent du peroxyde d’hydrogène directement à partir de l’eau et de l’oxygène présents dans l’air, à l’aide d’un photocatalyseur semi-conducteur qui capte l’énergie solaire. Lorsqu’il est exposé à la lumière du soleil, le photocatalyseur absorbe les photons et génère des porteurs de charge, à savoir des électrons et des trous. Les électrons photogénérés participent à la réaction de réduction de l’oxygène (ORR) à la surface du catalyseur, réduisant les molécules d’oxygène en peroxyde d’hydrogène.
L’efficacité de ce processus est considérablement améliorée en optimisant les propriétés de surface du photocatalyseur et son interaction avec la lumière.
L’un des principaux défis pour améliorer l’efficacité photocatalytique est que plusieurs réactions de réduction de l’oxygène peuvent se produire. Le processus qui conduit à la formation de peroxyde d’hydrogène implique deux électrons. Mais il existe d’autres réactions moins utiles. Le processus à quatre électrons génère de l’eau, tandis que les réactions à un électron forment des superoxydes instables. Parmi ces possibilités, la formation d’eau est thermodynamiquement la plus favorable, de sorte que les catalyseurs doivent être conçus pour favoriser cinétiquement le processus à deux électrons souhaité vers le peroxyde d’hydrogène.
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Le photocatalyseur développé par les chercheurs a été fabriqué à partir de trioxyde de tungstène (WO₃), qu’ils ont modifié en ajoutant des atomes de cuivre isolés. Bien que le trioxyde de tungstène soit déjà un photocatalyseur bien connu, l’équipe a ajouté des atomes de cuivre pour capturer et activer les molécules d’oxygène et orienter les réactions vers la voie à deux électrons.
« Par rapport aux catalyseurs précédemment démontrés, notre catalyseur présente des sites catalytiques à atome unique bien définis où les états électroniques qui entraînent les réactions chimiques sont réglables », explique Feng. « Cela peut être facilement réalisé en ajustant l’interaction entre les sites métalliques et le support. »
L’équipe a étudié plusieurs compositions différentes, mais leur photocatalyseur le plus performant a produit 102 micromoles de peroxyde d’hydrogène par heure lorsqu’il a été irradié par la lumière visible. Ce résultat est bien supérieur à celui de tous les photocatalyseurs précédemment rapportés et 17,3 fois supérieur à celui d’un catalyseur à base de trioxyde de tungstène sans cuivre.
« La prochaine étape de cette recherche consiste à optimiser davantage le système catalytique dans des conditions réelles, à explorer son évolutivité et sa stabilité opérationnelle à long terme, et à étudier son intégration dans des dispositifs ou des processus pratiques », conclut Feng.
Yang, F., Feng, C., Zuo, S., Wang, Q., Wei, F., Hu, M., Ren, Y., Liu, D., Li, W.-L., Wang, S., Alqahtani, H.S., Ng, Y.H. & Zhang, H. Photocatalytic H2O2 production with >30% quantum efficiency via monovalent copper dynamics. Journal of the American Chemical Society 147, 17112–17120 (2025). | article.
Source : KAUST
