L’intégration d’un nanomatériau avec une molécule absorbant la lumière alimente la production d’hydrogène à partir de l’eau et du soleil

En ligne avec l’épuisement des combustibles fossiles et les problèmes environnementaux auxquels notre planète est confrontée en raison de leur combustion, le développement de la technologie pour la production d’énergie propre est un sujet d’intérêt mondial. Parmi les différentes méthodes proposées pour générer de l’énergie propre, la séparation photocatalytique de l’eau est très prometteuse. Cette méthode utilise l’énergie solaire pour diviser les molécules d’eau (H2O) et obtenir du dihydrogène (H2). Le H2 peut ensuite être utilisé comme carburant sans carbone ou comme matière première dans la production de nombreux produits chimiques importants.

A présent, une équipe de recherche dirigée par Kazuhiko Maeda à Tokyo Tech a mis au point un nouveau photocatalyseur composé de feuilles d’oxyde métallique à l’échelle nanométrique et d’une molécule de colorant de ruthénium, qui fonctionne selon un mécanisme similaire aux cellules solaires à colorant. Alors que les oxydes métalliques qui sont photocatalytiquement actifs pour la séparation globale de l’eau en H2 et O2 ont de larges bandes interdites, les oxydes sensibilisés aux colorants peuvent utiliser la lumière visible, le principal composant de la lumière solaire (figure 1). Le nouveau photocatalyseur est capable de générer H2 à partir de l’eau avec une fréquence de renouvellement de 1960 par heure et un rendement quantique externe de 2,4%.

Ces résultats sont les plus élevés enregistrés pour des photocatalyseurs sensibilisés par des colorants sous la lumière visible, ce qui rapproche l’équipe de Maeda de l’objectif de la photosynthèse artificielle — reproduire le processus naturel d’utilisation de l’eau et de la lumière du soleil pour produire de l’énergie de manière durable.

Le nouveau matériau, rapporté dans Journal of the American Chemical Society, est construit à partir de nano-feuilles de niobate de calcium (HCa2Nb3O10) à haute surface intercalées avec des nanoclusters de platine (Pt) comme sites d’évolution de H2. Cependant, les nanoplaquettes modifiées au platine ne fonctionnent pas seules, car elles n’absorbent pas efficacement la lumière du soleil. Ainsi, une molécule de colorant de ruthénium absorbant la lumière visible est combinée avec la nano-feuillette, permettant une évolution de H2 pilotée par le soleil (figure 2).

Ce qui rend le matériau efficace est l’utilisation de nano-feuilles, qui peuvent être obtenues par exfoliation chimique de HCa2Nb3O10 lamellaire. La surface élevée et la flexibilité structurelle des nanoplaquettes maximisent les charges de colorant et la densité des sites d’évolution de l’H2, ce qui améliore l’efficacité de l’évolution de l’H2. En outre, pour optimiser les performances, l’équipe de Maeda a modifié les nanoplaquettes avec de l’alumine amorphe, qui joue un rôle important dans l’amélioration de l’efficacité du transfert d’électrons. « Sans précédent, la modification de l’alumine pour les nanoplaquettes favorise la régénération du colorant pendant la réaction, sans entraver l’injection d’électrons du colorant à l’état excité vers la nanoplaquette ¬– l’étape primaire de l’évolution de l’H2 sensibilisée aux colorants », dit Maeda.

« Jusqu’à tout récemment, il était considéré comme très difficile de réaliser l’évolution de l’H2 via la division globale de l’eau sous la lumière visible en utilisant un photocatalyseur sensibilisé aux colorants avec une efficacité élevée », explique Maeda. « Notre nouveau résultat démontre clairement que cela est effectivement possible, en utilisant un hybride molécule-nanomatériau soigneusement conçu. »

Des recherches supplémentaires doivent encore être menées, car il sera nécessaire d’optimiser davantage la conception du photocatalyseur hybride pour améliorer l’efficacité et la durabilité à long terme. La séparation photocatalytique de l’eau peut être un moyen crucial de répondre aux demandes énergétiques de la société sans nuire davantage à l’environnement, et des études comme celle-ci sont des tremplins essentiels pour atteindre notre objectif d’un avenir plus écologique.