La meilleure recette pour améliorer la production d’hydrogène

Récemment, une équipe de chercheurs sino-britannique a découvert de nouvelles manières d’optimiser la recette pour la production d’hydrogène vert. L’hydrogène peut être produit simplement à partir de l’eau grâce à l’énergie solaire et (il) offre un potentiel considérable.

Le processus de production d’hydrogène à partir de l’eau est appelé « électrolyse de l’eau » car il décompose l’eau en ses deux éléments, l’hydrogène et l’oxygène. L’électrolyse de l’eau nécessite un photocatalyseur semi-conducteur, une substance ou un composé qui absorbe la lumière du soleil puis utilise son énergie pour le processus de décomposition.

Cependant, l’efficacité des photocatalyseurs semi-conducteurs pour l’électrolyse de l’eau varie. En utilisant de nouvelles combinaisons de méthodes et de matériaux pour créer de nouveaux types de photocatalyseurs, les chercheurs ont amélioré l’efficacité de la production d’hydrogène.

Dr Graham Dawson, qui a dirigé les études à l’Université Xi’an Jiaotong-Liverpool, explique : « En ajoutant des matériaux tels que l’or ou le nitrure de bore à nos photocatalyseurs en utilisant des méthodes de mélange particulières, nous pouvons augmenter la quantité de lumière qui est absorbée.« 

Plus la lumière est absorbée, plus l’énergie disponible pour l’électrolyse de l’eau est importante, et donc la production d’hydrogène est augmentée », ajoute-t-il.

Trouver la recette parfaite

Modifier les matériaux généralement utilisés comme photocatalyseurs aide à surmonter leurs limitations, dit l’auteur principal de l’une des récentes études de l’équipe, Yanan Zhao. L’un des matériaux les plus couramment utilisés est le dioxyde de titane.

« Le dioxyde de titane peut capter l’énergie directement du soleil avec une pollution négligeable et montre un grand potentiel dans le développement des technologies solaires« , dit-elle. « Cependant, il ne peut être activé que par la lumière UV, qui ne représente que 7% de la lumière solaire. Il ne peut pas absorber l’énergie de la lumière visible« , indique Yanan Zhao.

Les chercheurs ont découvert qu’en ajoutant du nitrure de bore à une forme de dioxyde de titane, ils obtenaient un photocatalyseur capable d’absorber l’énergie de longueurs d’onde plus variées que la lumière UV. Le nitrure de bore, un composé de bore et d’azote, a une bonne conductivité électrique et peut résister à des températures allant jusqu’à 2000 degrés Celsius.

Yanan Zhao détaille le processus : « Pour préparer le matériau photocatalytique composite, nous avons combiné le nitrure de bore avec des nanotubes de titanate, qui sont des structures en forme de tube avec des dimensions mesurées en nanomètres – un nanomètre est un milliardième de mètre. »

« En optimisant le ratio de nitrure de bore aux nanotubes de titanate et en utilisant des processus chimiques pour combiner les composés, nous avons produit un photocatalyseur composite très stable. Il peut absorber la lumière d’une plus large gamme de longueurs d’onde et produire plus d’hydrogène comparé aux méthodes de mélange physique traditionnelles.« 

La ruée vers l’or

Dans une deuxième étude, l’équipe du Dr Dawson a trouvé une option supplémentaire pour améliorer l’efficacité photocatalytique dans l’électrolyse de l’eau.

Ils ont découvert que le recouvrement des surfaces de types spécifiques de structures photocatalytiques avec une taille spécifique de nanoparticules d’or augmentait la quantité de lumière qu’elles pouvaient absorber.

« La structure du matériau photocatalytique utilisé est très importante. Dans cette étude, nous avons utilisé deux formes de nanostructures photocatalytiques – des nanofeuilles et des nanotubes. » a expliqué Shiqi Zhao, auteur principal de cette étude.

« Nous les avons recouverts de particules d’or de différentes tailles pour voir quelle combinaison produisait la plus grande quantité d’hydrogène à partir de l’eau. »

« Nos résultats ont montré que les nanofeuilles modifiées avec de petites particules d’or uniformes avaient la meilleure performance photocatalytique parmi les matériaux que nous avons testés. Ces nanostructures recouvertes d’or ont montré environ 36 fois plus de performance de production d’hydrogène photocatalytique que les nanotubes non modifiés« , poursuit-il.

Et de conclure, « Cela offre une nouvelle compréhension de la manière dont les matériaux photocatalytiques semi-conducteurs peuvent être modifiés avec des nanoparticules d’or et a des applications précieuses dans les domaines de la production d’hydrogène photocatalytique, des cellules solaires et des capteurs optiques.

Légende illustration : Vue en coupe de la Toyota Mirai Fuel Cell exposée au Salão Internacional do Automóvel 2016 à São Paulo, au Brésil. Pile à combustible (à gauche) et réservoir d’hydrogène à haute pression (à droite). Crédit Mariordo (Mario Roberto Durán Ortiz)