Des chercheurs de l’Oregon State University ont mis au point 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 menée 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, 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 des plastiques.
Un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d’une réaction chimique sans subir elle-même de changement chimique permanent, a expliqué 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.
Ces résultats, publiés dans le Journal of the American Chemical Society, introduisent un nouvel outil potentiel de lutte contre les émissions de gaz à effet de serre et le changement climatique, a déclaré Stylianou, dont les recherches portent sur des matériaux cristallins et poreux connus sous le nom de réseaux métallo-organiques, ou MOF.
Composés d’ions métalliques chargés positivement entourés de molécules organiques de type « linker », les MOF présentent des pores de taille nanométrique et des propriétés structurelles réglables. Ils peuvent être conçus avec une variété de composants qui déterminent les propriétés du MOF, et il existe des millions de MOF possibles, a indiqué 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, BVR-19, qui présente une caractéristique structurelle distinctive : une liaison sulfure-sulfure qui subit un clivage transitoire lors de l’exposition à la lumière, donnant naissance à des espèces soufrées réactives.
« C’est le composant organique qui accomplit le travail important », a déclaré Stylianou. « Plutôt que de s’appuyer principalement sur les atomes métalliques, notre matériau utilise ses briques 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 manière différente de penser la conception de ces matériaux. »
Aucun catalyseur métallique coûteux supplémentaire n’est nécessaire, a-t-il ajouté, ce qui pourrait simplifier la conception de futurs systèmes de production d’hydrogène entraînés par la lumière. De plus, BVR-19 est synthétisé spontanément en solutions aqueuses à température ambiante, ce qui lui confère un fort avantage énergétique.
Produire de l’hydrogène en scindant l’eau au moyen d’un procédé catalytique est plus propre que la méthode conventionnelle consistant à extraire l’hydrogène du gaz naturel via un procédé générant du dioxyde de carbone connu sous le nom de reformage du méthane à la vapeur d’eau, a déclaré Stylianou.
Les procédés catalytiques actuels de production d’hydrogène à partir de l’eau font appel à l’électrocatalyse – le passage d’un courant électrique à travers le catalyseur. La durabilité de l’électrocatalyse dépend de l’utilisation d’énergies renouvelables, et pour être compétitive sur le marché, cette énergie doit être peu coûteuse.
Actuellement, le reformage du méthane à la vapeur d’eau produit de l’hydrogène à un coût d’environ 1,50 dollar le kilogramme, contre environ 5 dollars le kilogramme pour l’hydrogène vert.
« Nos travaux fournissent un plan directeur pour la conception de meilleurs matériaux capables de faire baisser le coût de l’hydrogène vert », a déclaré Stylianou, qui dirige le Materials Discovery Laboratory de l’OSU, connu sous le nom de MaD Lab. « En changeant le métal tout en conservant essentiellement le reste du matériau à l’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 carburants solaires. »
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.
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
