Les MOFs : La clé d’une production d’hydrogène rapide et efficace ?

Des chercheurs américains ont mis au point un matériau capable de convertir la lumière du soleil et l’eau en énergie propre de manière remarquable.

Une collaboration dirigée par Kyriakos Stylianou du Collège des Sciences de l’Université de l’État de l’Oregon (OSU) a permis de créer un photocatalyseur facilitant la production rapide et efficace d’hydrogène. Utilisé dans les piles à combustible pour voitures et dans la fabrication de nombreux produits chimiques, l’hydrogène est également essentiel pour le raffinage des métaux et la production de plastiques.

Ces résultats offrent un nouvel outil potentiel pour lutter contre les émissions de gaz à effet de serre et le changement climatique, selon Kyriakos Stylianou, dont les recherches se concentrent sur les matériaux cristallins et poreux appelés cadres organométalliques, généralement abrégés en MOFs.

Les MOFs : Des Matériaux aux Propriétés Ajustables

Composés d’ions métalliques chargés positivement entourés de molécules organiques appelées «linkers», les MOFs possèdent des pores de taille nanométrique et des propriétés structurelles ajustables. Ils peuvent être conçus avec divers composants déterminant leurs caractéristiques spécifiques.

Dans cette étude, les chercheurs ont utilisé un MOF pour dériver une hétérojonction d’oxyde métallique – une combinaison de deux matériaux aux propriétés complémentaires – afin de créer un catalyseur qui, exposé à la lumière du soleil, sépare rapidement et efficacement l’eau en hydrogène.

Un Catalyseur Efficace : RTTA-1

L’hétérojonction, appelée RTTA, comprend de l’oxyde de ruthénium dérivé de MOF et de l’oxyde de titane dopé au soufre et à l’azote. Plusieurs RTTAs avec des quantités variées d’oxydes ont été testés, et un gagnant clair a été identifié.

« Parmi les différents matériaux RTTA, RTTA-1, avec la plus faible teneur en oxyde de ruthénium, a montré le taux de production d’hydrogène le plus rapide et un rendement quantique élevé », a précisé Kyriakos Stylianou.

En une heure seulement, un gramme de RTTA-1 a produit plus de 10 700 micromoles d’hydrogène. Ce processus a utilisé les photons – particules de lumière – à un taux impressionnant de 10 %, ce qui signifie que pour chaque 100 photons frappant RTTA-1, 10 ont contribué à la production d’hydrogène.

« L’activité remarquable de RTTA-1 est due aux effets synergiques des propriétés des oxydes métalliques et des propriétés de surface du MOF parent qui améliorent le transfert d’électrons », a expliqué le chercheur. « Cette étude met en lumière le potentiel des hétérojonctions d’oxydes métalliques dérivées de MOF en tant que photocatalyseurs pour la production pratique d’hydrogène, contribuant au développement de solutions énergétiques durables et efficaces. »

Une Méthode Plus Propre pour Produire de l’Hydrogène

La production d’hydrogène par séparation de l’eau via un processus catalytique est plus propre que la méthode conventionnelle qui dérive l’hydrogène du gaz naturel par un processus produisant du dioxyde de carbone, connu sous le nom de reformage à la vapeur de méthane.

Les processus catalytiques actuels pour produire de l’hydrogène à partir de l’eau impliquent l’électrocatalyse – faire passer de l’électricité à travers le catalyseur. La durabilité de l’électrocatalyse dépend de l’utilisation d’énergie renouvelable, et pour être compétitive sur le marché, l’énergie doit être peu coûteuse.

Actuellement, le reformage à la vapeur de 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.

« L’eau est une source abondante d’hydrogène, et la photocatalyse offre une méthode pour exploiter l’énergie solaire abondante de la Terre pour la production d’hydrogène », a conclu Kyriakos Stylianou. « L’oxyde de ruthénium n’est pas bon marché, mais la quantité utilisée dans notre photocatalyseur est minimale. Pour les applications industrielles, si un catalyseur montre une bonne stabilité et reproductibilité, le coût de cette petite quantité d’oxyde de ruthénium devient moins important. »

Article : « Boosting Photocatalytic Hydrogen Production by MOF-derived Metal Oxide Heterojunctions with a 10.0% Apparent Quantum Yield » – DOI: 10.1002/anie.202405681