L’hydrogène, considéré comme l’énergie du futur, pourrait être produit de manière durable grâce à la lumière du soleil. Une équipe de chercheurs en Allemagne a développé des colorants innovants qui pourraient rendre ce processus plus économique et respectueux de l’environnement. Découvrez comment cette découverte pourrait changer la donne dans la production d’hydrogène.
Des molécules de colorant innovantes
Dirigée par la chimiste Prof. Dr Kalina Peneva de l’Institut de Chimie Organique et Macromoléculaire de l’Université de Jena, l’équipe a développé des colorants qui sont exempts de métaux, simples à produire et capables de transférer l’énergie lumineuse absorbée à un catalyseur pour produire de l’hydrogène.
« Ces molécules de colorant, également appelées photosensibilisateurs, absorbent la lumière et convertissent son énergie en un état excité de longue durée à l’intérieur de la molécule », explique la chimiste. Elle compare ce processus à la fluorescence, comme on peut le voir dans les objets ou les vêtements qui brillent sous la lumière noire.
« Cependant, nos colorants ne libèrent pas l’énergie sous forme de lumière », précise-t-elle. « Au lieu de cela, nous utilisons cette énergie stockée en la transférant à un catalyseur spécifiquement adapté. Cela génère ensuite de l’hydrogène à partir de l’eau. »
Des catalyseurs économiques et respectueux de l’environnement
Les systèmes de catalyseurs qui génèrent de l’hydrogène avec la lumière du soleil sont développés et recherchés depuis de nombreuses années. Ce qui distingue les molécules de colorant de l’équipe de Kalina Peneva, c’est qu’elles fonctionnent sans l’ajout de métaux nobles.
« Souvent, ces colorants impliquent du ruthénium ou de l’osmium – des métaux qui sont rares et coûteux. Et le catalyseur que nous utilisons, au lieu de métaux nobles coûteux comme le platine ou le palladium, utilise du cobalt beaucoup plus abordable », explique une nouvelle fois Kalina Peneva.
Efficacité grâce à une synthèse simplifiée
La production de ces colorants durables est également prometteuse : « Ce que nous avons développé est unique car il offre une méthode simple et efficace de synthèse de ces molécules, ce qui améliore considérablement la scalabilité du processus », précise la chimiste
« Nous formons le colorant par une simple réaction de condensation dite. Et comme le colorant précipite sous forme solide, nous pouvons facilement le séparer du mélange réactionnel par filtration », ajoute-t-elle. « Par conséquent, contrairement à de nombreuses autres approches de synthèse, il n’y a pas besoin d’étapes de purification coûteuses et compliquées pour le produit désiré. »
Collaboration interdisciplinaire
L’équipe de recherche a collaboré étroitement au sein de l’Université de Jena avec le groupe de Benjamin Dietzek-Ivanšić de l’Institut de Chimie Physique, examinant systématiquement différentes variantes du colorant pour trouver la configuration optimale pour la catalyse alimentée par la lumière. « Nous avons non seulement développé les colorants mais aussi étudié leur interaction avec le catalyseur en détail », commente pour conclure la Prof. Peneva.
En synthèse
Les résultats publiés par l’équipe dans la revue «Journal of Materials Chemistry A» sont prometteurs : « Bien que nous n’ayons pas atteint l’efficacité la plus élevée, les résultats sont très bons et, surtout, montrent un grand potentiel pour des applications pratiques », souligne-t-elle.
« Plus précisément, nous mesurons cela en utilisant le nombre de tours, TON en abrégé; une mesure importante de la performance des catalyseurs. Et il est à une bonne valeur d’environ 4 000 », ajoute-t-elle.
Elle et son équipe envisagent déjà d’initier un transfert de recherche avec des partenaires industriels potentiels. « Si nous tentons de produire ce système de catalyseur à l’échelle industrielle à ce stade, je ne peux pas le dire », limite Kalina Peneva. « Mais c’est certainement une considération que nous faisons. »
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce qu’un photosensibilisateur ?
Un photosensibilisateur est une molécule qui absorbe la lumière et convertit son énergie en un état excité de longue durée à l’intérieur de la molécule.
Comment fonctionne le processus de production d’hydrogène ?
L’énergie stockée dans le photosensibilisateur est transférée à un catalyseur spécifiquement adapté, qui génère ensuite de l’hydrogène à partir de l’eau.
Qu’est-ce qui distingue ces colorants des autres ?
Ces colorants fonctionnent sans l’ajout de métaux nobles, ce qui les rend plus économiques et respectueux de l’environnement.
Comment sont produits ces colorants ?
Les colorants sont formés par une simple réaction de condensation et peuvent être facilement séparés du mélange réactionnel par filtration.
Quel est le potentiel de cette recherche ?
Les résultats sont prometteurs et montrent un grand potentiel pour des applications pratiques dans la production d’hydrogène.
Références
Légende illustration principale : La visualisation montre comment les molécules de colorant dans l’eau absorbent la lumière. Crédit: ScienceBrush
Université de Jena. (2023). Production durable d’hydrogène à l’aide de la lumière du soleil : une équipe de chercheurs fait un pas en avant. Journal of Materials Chemistry A.
Gergely Knorr, Konrad Hotzel, Avinash Chettri, Artem Skabeev, Maria Wächtler Benjamin Dietzek-Ivanšić, Kalina Peneva, “Unlocking the potential of ketocoumarins: efficient photosensitizers for sustainable light driven hydrogen evolution”, J. Mater. Chem. A, 2023, 11, 23260–23269, DOI: 10.1039/D3TA04450E
