Un nouveau catalyseur dans la décomposition de l’eau pourrait améliorer la production d’hydrogène

Alors que le rôle de l’hydrogène en tant que vecteur énergétique sûr et propre est largement reconnu, la recherche en vue de le produire, notamment à partir de sources renouvelables, s’est intensifiée. Une manière de produire de l’hydrogène consiste à séparer l’eau en recourant au soleil et aux photocatalyseurs. Partiellement soutenus par le projet DYNAPORE financé par l’UE, des chercheurs ont synthétisé un nouveau matériau organique afin de produire de l’hydrogène solaire par photocatalyse, processus connu comme décomposition de l’eau. Leurs conclusions ont été publiées récemment dans la revue «  Nature Chemistry  ».

Selon un communiqué de presse publié sur le site web de l’Université de Liverpool, l’équipe a associé expériences et calculs pour mettre au point le photocatalyseur. La décomposition photocatalytique de l’eau en utilisant la lumière du soleil est considérée comme une technologie prometteuse qui peut fournir un haut rendement énergétique sans dérivés polluants. Cette prouesse n’est possible que si l’énergie contenue dans la lumière solaire peut être exploitée efficacement, comme expliqué dans le communiqué de presse. « Les matériaux inorganiques sont mieux connus en tant que catalyseurs pour la décomposition de l’eau, mais des catalyseurs organiques peuvent également être conçus à partir d’éléments bon marché et abondants, comme le carbone, l’azote et le soufre. » Xiaoyan Wang, une doctorante en chimie qui a mené le travail expérimental à l’Université, a déclaré : « Pour parvenir à des taux élevés de dégagement d’hydrogène, vous avez besoin d’une bonne affinité avec l’eau, d’une grande absorption de la lumière, d’une vaste surface et d’une cristallinité élevée. En introduisant toutes ces caractéristiques dans un matériau, nous obtenons un photocatalyseur très actif. »

Stabilité et efficacité

Dans l’article de la revue, les chercheurs ont noté que, dans la nature, les molécules organiques sont utilisées « pour capter la lumière et pour la photosynthèse, mais la plupart des catalyseurs artificiels utilisés pour la décomposition de l’eau sont des semi-conducteurs inorganiques ». Ils ont ajouté : « Les photocatalyseurs organiques, bien qu’intéressants en raison de leur ajustabilité synthétique, ont tendance à avoir de faibles rendements quantiques pour la décomposition de l’eau. Nous présentons ici un cadre organique covalent (COF) cristallin basé sur un fragment benzo-bis (benzothiophène sulfone) qui montre une activité bien plus élevée en termes de dégagement d’hydrogène par voie photochimique que ses équivalents amorphes ou semi-cristallins. »

Ils ont souligné que le « COF est stable sous l’effet d’une irradiation visible à long terme et présente un dégagement photochimique constant d’hydrogène avec un donneur d’électrons sacrifié durant au moins 50 heures ». Les scientifiques ont attribué le rendement quantique élevé du « COF-sulfone fusionné à sa cristallinité, à sa forte absorption de lumière visible et à ses mésopores hydrophiles mouillables de 3,2 nm ». Ils ont affirmé que l’impact de ces pores sur le cadre menait à une « amélioration de 61 % du taux de dégagement d’hydrogène jusqu’à 16,3 mmol g−1 h−1. Le COF a également maintenu son activité photocatalytique lorsqu’il a été moulé sous la forme d’un mince film sur un support ».

Les COF ont récemment été mis en avant comme photocatalyseurs très prometteurs pour le dégagement d’hydrogène. Il s’agit d’une catégorie relativement neuve de polymères organiques cristallins constitués d’éléments légers comme l’oxygène, le bore et l’azote, et connectés par de solides liaisons covalentes pour former des structures rigides et poreuses. La liaison covalente fait référence au lien interatomique qui résulte du partage d’une paire d’électrons entre deux atomes. Grâce à leur potentiel d’application dans de nombreux domaines, y compris la catalyse, l’électronique organique et le stockage d’énergie, les COF sont devenus un passionnant sujet de recherche.

Le projet DYNAPORE (Dynamic responsive porous crystals), qui a apporté le financement pour l’étude, entend « développer la capacité synergique, expérimentale pluridisciplinaire et de calcul à utiliser pour exploiter la dynamique des solides poreux cristallins flexibles, démontrée dans la séparation et la catalyse », selon CORDIS. De plus, il « aborde la vision à long terme des matériaux artificiels avec la sélectivité chimique et l’efficacité fonctionnelle produites par la flexibilité structurelle dynamique ».

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Source : CORDIS