Des chercheurs de l’Oregon State University ont développé une nouvelle famille de matériaux qui utilisent la lumière pour produire de l’hydrogène à partir de l’eau, ouvrant la voie à de nouvelles façons de convertir les rayons du soleil en énergie propre.
Une collaboration dirigée par Kyriakos Stylianou, du College of Science de l’OSU, a créé un photocatalyseur qui permet une production d’hydrogène à grande vitesse et à haut rendement, un hydrogène utilisé dans les piles à combustible des voitures ainsi que dans la fabrication de nombreux produits chimiques, dont l’ammoniac, dans le raffinage des métaux et dans la fabrication de plastiques.
Un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d’une réaction chimique sans subir elle-même de modification chimique permanente, a déclaré M. Stylianou. Les photocatalyseurs sont des matériaux qui absorbent la lumière pour atteindre un niveau d’énergie supérieur et peuvent utiliser cette énergie pour accélérer les réactions.
Les résultats, publiés dans le Journal of the American Chemical Society, présentent un nouvel outil potentiel pour lutter contre les émissions de gaz à effet de serre et le changement climatique, a déclaré M. Stylianou, dont les recherches portent sur des matériaux cristallins et poreux appelés structures métallo-organiques, ou MOF.
Constitués d’ions métalliques chargés positivement entourés de molécules organiques « de liaison », les MOF possèdent des pores de taille nanométrique et des propriétés structurales ajustables. Ils peuvent être conçus avec une variété de composants qui déterminent les propriétés du MOF, et il existe des millions de MOF possibles, a déclaré M. Stylianou.
Près de 100 000 d’entre eux ont été synthétisés par des chercheurs en chimie, et les propriétés d’un autre demi-million ont été prédites.
Dans cette étude, les chercheurs ont travaillé avec un MOF, le BVR-19, qui présente une particularité structurale : une liaison sulfure-sulfure qui subit un clivage transitoire lors de l’exposition à la lumière, produisant des espèces soufrées réactives.
« C’est le composant organique qui accomplit le travail important », a déclaré M. Stylianou. « Au lieu de s’appuyer principalement sur les atomes métalliques, notre matériau utilise ses blocs de construction organiques contenant du soufre pour capter l’énergie lumineuse et déplacer les électrons là où ils sont nécessaires pour produire de l’hydrogène. Cela représente une autre façon de concevoir ces matériaux. »
Aucun catalyseur métallique coûteux supplémentaire n’est requis, a-t-il ajouté, ce qui pourrait simplifier la conception des futurs systèmes de production d’hydrogène à partir de la lumière. De plus, le BVR-19 est synthétisé en solutions aqueuses à température ambiante et de manière spontanée, ce qui lui confère un avantage énergétique important.
Produire de l’hydrogène en décomposant l’eau par un procédé catalytique est plus propre que la méthode conventionnelle consistant à obtenir l’hydrogène à partir du gaz naturel par un procédé producteur de dioxyde de carbone appelé reformage à la vapeur du méthane, a déclaré M. Stylianou.
Les procédés catalytiques actuels de production d’hydrogène à partir de l’eau font appel à l’électrocatalyse – faire passer un courant électrique dans le catalyseur. La durabilité de l’électrocatalyse dépend de l’utilisation d’énergie renouvelable, et pour être compétitive sur le marché, cette énergie doit être peu coûteuse.
Actuellement, le reformage à la vapeur du méthane produit de l’hydrogène à un coût d’environ 1,50 dollar par kilogramme, contre environ 5 dollars par kilogramme pour l’hydrogène vert.
« Nos travaux fournissent un plan pour concevoir de meilleurs matériaux capables de faire baisser le coût de l’hydrogène vert », a déclaré M. Stylianou, qui dirige le Materials Discovery Laboratory de l’OSU, connu sous le nom de MaD Lab. « En changeant le métal tout en gardant le reste du matériau essentiellement identique, nous avons découvert pourquoi certaines versions du MOF fonctionnent bien mieux que d’autres. Ces résultats fournissent de nouvelles règles de conception pour créer des matériaux plus efficaces pour la production de carburant solaire. »
Article : Intraligand Charge Transfer in Metal-Organic Frameworks Facilitates Radical Anion-Mediated Hydrogen Evolution – Journal : Journal of the American Chemical Society – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude
Les membres du MaD Lab Emmanuel Musa, Dylan Pyle, Jacob Lessard, Andrzej Gladysiak, Ankit Yadav, Silas Blessed et Prayash Mohanty ont été rejoints dans cette recherche par Logan Lancaster, Taylor Krueger, Min Soo Jung, Galen Fritz, Jacob Hirschi, Hongliang Huang, William Stickle, Xiulei « David » Ji, Chong Fang et Tim Zuehlsdorff, de l’Oregon State.
Source : Oregon State U
