L'hydrogène gazeux est considéré comme un
vecteur d'énergie durable et une alternative prometteuse aux carburants à base d'hydrocarbures. Encore faut-il pouvoir le produire « proprement » :
- Bien qu'abondant dans la nature, l'hydrogène (H) est généralement associé à d'autres éléments, sous forme solide ou liquide. La source principale est l'eau, dans laquelle il est lié chimiquement à de l'oxygène dont
il faut le dissocier pour obtenir le gaz souhaité ;
- L'énergie nécessaire pour y parvenir doit
elle-même être
durable / renouvelable.
En ce sens, la
décomposition de l'eau en dioxygène (O2)
et en dihydrogène (H2)
par photocatalyse solaire constitue l'une des pistes les plus intéressantes. L'utilisation de l'oxyde de titane (TiO2), matériau semi-conducteur, a largement été explorée pour cette transformation. Mais TiO2 présente
deux inconvénients :
- La
performance photocatalytique globale est
réduite par un phénomène de
recombinaison de charges ;
- L'activation se fait à des longueurs d'onde électromagnétiques
dans la région des UV, soit une fraction limitée du spectre de la lumière naturelle (environ 5 % du spectre solaire).
Des
chercheurs de l'équipe
Nanosciences (SCBM/DMTS)
et du
Lions (Nimbe/Iramis) du CEA, en collaboration avec la direction des énergies du CEA et l'École Polytechnique, ont combiné leurs savoir-faire pour
optimiser la photodissociation de l'eau par le TiO2 et développer un dispositif photo-catalytique permettant la production continue de dihydrogène :
- En
associant le TiO2 a des nanotubes de carbone qui permettent la dissociation des charges et
minimisent le phénomène de recombinaison ;
- En utilisant
des nanoparticules d'or pour permettre une « sensibilisation » du matériau TiO2 par la lumière visible ;
-
Le tout ayant pu être
intégré dans une puce microfluidique grâce au réseau enchevêtré des nanotubes de carbone. Cette approche présente l'avantage d'un rapport surface/volume élevé, favorisant d'autant plus l'efficacité de la réaction.
Le TiO2, les nanotubes de carbone et les nanoparticules d'or travaillent en synergie. Leur association permet de multiplier la production d'hydrogène par 2,5 par rapport à la combinaison TiO2/nanotubes de carbone et par 20 par rapport au TiO2 seul.
Une stratégie équivalente pourrait être appliquée à des procédés de dépollution de l'environnement en mettant en œuvre des dégradations photocatalysées de polluants chimiques, par exemple.
Dispositif utilisé pour l'étude de la production de H2 dans des conditions microfluidiques. © Farah et al., Nanomaterials 2023
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