Record de production d’hydrogène grâce à un supercristal

Dans le domaine de la physique expérimentale et de la conversion d’énergie, le professeur Emiliano Cortés se distingue par son approche innovante de la capture et de l’utilisation de l’énergie solaire. Plutôt que de se tourner vers les méthodes traditionnelles comme les miroirs gigantesques ou les parcs solaires étendues, il a choisi de plonger dans le nanocosmos. Ses travaux de recherche pourraient jeter les bases de l’émergence de nouvelles cellules solaires et de photocatalyseurs innovants.

Emiliano Cortés et son équipe à l’Institut Nano de LMU, financé entre autres par le cluster d’excellence e-conversion, Solar Technologies go Hybrid (une initiative du Bayerisches Staatsministerium für Wissenschaft und Kunst) et le Conseil européen de la recherche, développent des nanostructures plasmoniques qui peuvent être utilisées pour concentrer l’énergie solaire.

Dans une récente publication dans la revue Nature Catalysis, Emiliano Cortés, en collaboration avec le Dr. Matías Herran et des partenaires de coopération de l’Université libre de Berlin et de l’Université de Hambourg, présentent un supercristal bidimensionnel qui génère de l’hydrogène à partir d’acide formique avec l’aide de la lumière solaire.

« Le matériau est si exceptionnel, en fait, qu’il détient le record mondial pour la production d’hydrogène en utilisant la lumière solaire », souligne le Professeur Cortés.

Concentrer l’énergie solaire avec des mini-aimants

Pour leur supercristal, les chercheurs utilisent deux métaux différents en format nanométrique.

« Nous créons d’abord des particules dans la gamme de 10-200 nanomètres à partir d’un métal plasmonique – qui dans notre cas est l’or », explique le Dr. Herrán. « À cette échelle, un phénomène spécial se produit avec les métaux plasmoniques, qui comprennent également l’argent, le cuivre, l’aluminium et le magnésium : la lumière visible interagit très fortement avec les électrons du métal, les faisant osciller de manière résonante. »

Cela signifie que les électrons se déplacent collectivement très rapidement d’un côté de la nanoparticule à l’autre, créant une sorte de mini-aimant. Les experts appellent cela un moment dipolaire.

« Pour la lumière incidente, c’est un changement fort de sorte qu’elle interagit ensuite beaucoup plus fortement avec la nanoparticule métallique », explique le Professeur Cortés. « Analogiquement, on peut penser au processus comme à une superlentille concentrant l’énergie. Nos nanomatériaux font cela mais à l’échelle moléculaire. »

Libérer la puissance catalytique des points chauds nano

Les scientifiques de l’LMU ont collaboré avec des chercheurs de l’Université de Hambourg pour organiser les particules d’or de manière ordonnée sur une surface selon le principe de l’auto-organisation. Les particules doivent être très proches mais ne pas se toucher pour maximiser les interactions lumière-matière.

En collaboration avec une équipe de recherche de l’Université libre de Berlin, qui a étudié les propriétés optiques du matériau, les chercheurs de l’LMU ont constaté que l’absorption de la lumière augmentait de nombreuses fois.

« Les réseaux de nanoparticules d’or concentrent la lumière incidente de manière extrêmement efficace, produisant des champs électriques très localisés et forts, les soi-disant points chauds », dit le Dr. Herrán.

Une impulsion pour une production d’hydrogène plus verte

Aujourd’hui, l’hydrogène est principalement produit à partir de combustibles fossiles, principalement à partir de gaz naturel. Pour passer à une production plus durable, des équipes de recherche du monde entier travaillent sur des technologies qui utilisent des matières premières alternatives – y compris l’acide formique, l’ammoniac et l’eau.

L’accent est également mis sur le développement de réacteurs photocatalytiques adaptés à la production à grande échelle. « Des solutions matérielles intelligentes comme la nôtre sont un élément important pour le succès de la technologie », ont mentionné les deux chercheurs. « En combinant des métaux plasmoniques et catalytiques, nous faisons avancer le développement de photocatalyseurs puissants pour des applications industrielles. C’est une nouvelle façon d’utiliser la lumière solaire et qui offre un potentiel pour d’autres réactions comme la conversion du CO2 en substances utilisables », précise pour conclure Cortés et Herrán.

En synthèse

Les recherches d’Emiliano Cortés et de son équipe à l’Université Ludwig-Maximilians de Munich (LMU) sur les nanostructures plasmoniques pourraient réinventer l’utilisation de l’énergie solaire. Leur supercristal 2D, qui génère de l’hydrogène à partir d’acide formique avec l’aide de la lumière solaire, détient le record mondial pour la production d’hydrogène en utilisant la lumière solaire.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce que les nanostructures plasmoniques ?

Les nanostructures plasmoniques sont des structures à l’échelle nanométrique qui peuvent concentrer l’énergie solaire. Elles sont développées par l’équipe d’Emiliano Cortés à l’Institut Nano de l’Université Ludwig-Maximilians de Munich (LMU).

Qu’est-ce qu’un supercristal bidimensionnel ?

Un supercristal bidimensionnel est une structure qui peut générer de l’hydrogène à partir d’acide formique avec l’aide de la lumière solaire. Ce supercristal détient le record mondial pour la production d’hydrogène en utilisant la lumière solaire.

Qu’est-ce que l’acide formique ?

L’acide formique est une matière première alternative utilisée dans la production d’hydrogène. Il est converti en hydrogène par le supercristal bidimensionnel développé par l’équipe de Cortés.

Qu’est-ce que la photocatalyse ?

La photocatalyse est un processus qui utilise la lumière pour déclencher une réaction chimique. Dans le cas du supercristal bidimensionnel, la lumière solaire est utilisée pour convertir l’acide formique en hydrogène.

Quel est le rôle de l’hydrogène dans la transition énergétique ?

L’hydrogène joue un rôle important dans la transition énergétique car il peut être utilisé comme vecteur d’énergie. Il est actuellement principalement produit à partir de combustibles fossiles, mais des recherches sont en cours pour développer des méthodes de production plus durables, comme celle développée par l’équipe de Cortés.

Principaux enseignements

Références

Les informations de cet article sont basées sur une publication dans la revue Nature Catalysis.