Des chercheurs de l’université d’État de l’Oregon ont créé un photocatalyseur très efficace capable de produire rapidement de l’hydrogène à partir de la lumière du soleil et de l’eau. Ce catalyseur, développé grâce à une combinaison de structures organométalliques et d’oxydes métalliques, représente une avancée significative dans la production d’énergie propre. Il est prometteur pour réduire les émissions de gaz à effet de serre et offrir une alternative durable aux méthodes traditionnelles de production d’hydrogène, qui reposent sur les combustibles fossiles.
Des chercheurs de l’Université d’État de l’Oregon ont développé un nouveau photocatalyseur qui produit efficacement de l’hydrogène à partir de la lumière du soleil et de l’eau, offrant une alternative durable et potentiellement rentable aux méthodes traditionnelles de production d’hydrogène à base de combustibles fossiles.
Des chercheurs de l’Université d’État de l’Oregon ont créé un matériau doté de l’extraordinaire capacité de transformer la lumière du soleil et l’eau en énergie propre.
Une collaboration dirigée par Kyriakos Stylianou de l'OSU College of Science a créé un photocatalyseur qui permet la production à grande vitesse et à haute efficacité d'hydrogène, 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.
Les résultats représentent un nouvel outil potentiel à utiliser contre les émissions de gaz à effet de serre et le changement climatique, a déclaré Stylianou, dont les recherches se concentrent sur les matériaux cristallins et poreux connus sous le nom de structures organométalliques, généralement abrégées en MOFComposés d'ions métalliques chargés positivement entourés de molécules organiques « de liaison », les MOF ont des pores de taille nanométrique et des propriétés structurelles ajustables. Ils peuvent être conçus avec une variété de composants qui déterminent les propriétés du MOF.

Séparation de l'eau par photocatalyse. Crédit : Kyriakos Stylianou
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 fabriquer un catalyseur qui, lorsqu’il est exposé à la lumière du soleil, sépare rapidement et efficacement l’eau en hydrogène. L’hétérojonction, qu’ils appellent RTTA, comprend de l’oxyde de ruthénium dérivé du MOF et de l’oxyde de titane dopé au soufre et à l’azote. Ils ont testé plusieurs RTTA avec différentes quantités d’oxydes et ont trouvé un gagnant évident.
Informations sur le processus photocatalytique
« Parmi les différents matériaux RTTA, le RTTA-1, avec la plus faible teneur en oxyde de ruthénium, a présenté le taux de production d'hydrogène le plus rapide et un rendement quantique élevé », a déclaré Stylianou.
En une heure seulement, a-t-il noté, un gramme de RTTA-1 était capable de produire plus de 10 700 micromoles d’hydrogène. Ce processus utilisait des photons – des particules de lumière – à un taux impressionnant de 10 %, ce qui signifie que pour 100 photons frappant RTTA-1, 10 contribuaient à la production d’hydrogène.
« L’activité remarquable du RTTA-1 est due aux effets synergétiques des propriétés des oxydes métalliques et des propriétés de surface du MOF parent qui améliorent le transfert d’électrons », a déclaré Stylianou. « Cette étude met en évidence le potentiel des hétérojonctions d’oxydes métalliques dérivées du MOF comme photocatalyseurs pour la production pratique d’hydrogène, contribuant ainsi au développement de solutions énergétiques durables et efficaces. »
La production d’hydrogène par séparation de l’eau par un processus catalytique est plus propre que la méthode conventionnelle de production d’hydrogène à partir du gaz naturel via un processus de production de dioxyde de carbone connu sous le nom de reformage à la vapeur du méthane.
Les procédés catalytiques actuels de production d’hydrogène à partir de l’eau impliquent l’électrocatalyse, c’est-à-dire le passage de l’électricité à travers le catalyseur. La durabilité de l’électrocatalyse dépend de l’utilisation d’énergies renouvelables, et pour être compétitive sur le marché, l’énergie doit être peu coûteuse.
Actuellement, le reformage du méthane à la vapeur produit de l’hydrogène à un coût d’environ 1,50 $ par kilo, contre environ 5 $ par kilo 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 déclaré Stylianou. « L’oxyde de ruthénium n’est pas bon marché, mais la quantité utilisée dans notre photocatalyseur est minime. Pour les applications industrielles, si un catalyseur présente une bonne stabilité et une bonne reproductibilité, le coût de cette petite quantité d’oxyde de ruthénium devient moins important. »
L'étude a été financée par le département de chimie de l'OSU, le prix de partenariat industriel du Collège des sciences de l'OSU et Brian et Marilyn Kleiner.