Modèles moléculaires représentant une hétérostructure 2D en graphène (réseau hexagonal à fond gris), et des îles au-dessus de WS2 et MoS hexagonaux, ainsi qu'un alliage des deux. Les molécules d'eau (H2O) en rouge (oxygène) et gris (hydrogène) proviennent du côté inférieur gauche et se transforment catalytiquement après avoir interagi avec les hétérostructures en bulles d'H2 (côté supérieur droit). Crédit :Institut de recherche sur les matériaux de l'État de Pennsylvanie
L'« économie de l'énergie propre » semble toujours être à quelques pas mais jamais tout à fait là. La plupart de l'énergie pour le transport, le chauffage et le refroidissement et la fabrication sont toujours fournis à l'aide d'intrants de combustibles fossiles. Mais avec quelques avancées scientifiques, hydrogène, l'élément le plus abondant de l'univers, pourrait être le vecteur énergétique d'une future société énergétique propre. Faisant un pas de plus vers le but insaisissable, une équipe de scientifiques de Penn State et de la Florida State University ont mis au point un catalyseur à moindre coût et évolutif industriellement pour produire de l'hydrogène pur grâce à un processus de fractionnement de l'eau à faible consommation d'énergie.
"L'énergie est la question la plus importante de notre temps, et pour l'énergie, les piles à combustible sont d'une importance cruciale. Et puis pour les piles à combustible, l'hydrogène est le plus important, " dit Yu Lei, doctorant à Penn State et premier auteur d'un nouvel article en ACS Nano décrivant le catalyseur de dissociation de l'eau qu'elle et ses collègues ont théoriquement prédit et synthétisé en laboratoire. "Les gens ont recherché un bon catalyseur capable de diviser efficacement l'eau en hydrogène et en oxygène. Au cours de ce processus, il n'y aura pas de produits d'accompagnement qui ne soient pas respectueux de l'environnement."
La méthode industrielle actuelle de production d'hydrogène – le vaporeformage du méthane – entraîne le rejet de CO2 dans l'atmosphère. D'autres méthodes utilisent la chaleur résiduelle, comme les centrales nucléaires de pointe, ou solaire à concentration, les deux étant confrontés à des défis techniques pour devenir commercialement réalisables. Un autre processus industriel utilise le platine comme catalyseur pour conduire le processus de fractionnement de l'eau. Bien que le platine soit un catalyseur presque parfait, c'est aussi cher. Un catalyseur moins cher pourrait faire de l'hydrogène une alternative raisonnable aux combustibles fossiles dans les transports, et alimenter les piles à combustible pour les applications de stockage d'énergie.
"Le bisulfure de molybdène (MoS2) a été prédit comme un remplacement possible du platine, parce que l'énergie libre de Gibbs pour l'absorption d'hydrogène est proche de zéro, " dit Mauricio Terrones, professeur de physique, science et ingénierie des matériaux et chimie à Penn State. Plus l'énergie libre de Gibbs est faible, moins il faut d'énergie externe pour produire une réaction chimique.
Cependant, expérimentalement, il y a des inconvénients à utiliser MoS2 comme catalyseur. Dans sa phase stable, MoS2 est un semi-conducteur, ce qui limite sa capacité à conduire les électrons. Pour contourner ce problème, l'équipe a ajouté de l'oxyde de graphène réduit, une forme hautement conductrice de carbone. Puis, diminuer encore l'énergie libre, ils ont allié le MoS2 avec du tungstène pour créer un film mince avec des couches alternées de graphène et de bisulfure de tungstène-molybdène. L'ajout de tungstène abaisse la tension électrique nécessaire pour diviser l'eau de moitié, à partir de 200 millivolts avec du MoS2 pur, à 96 millivolts avec l'alliage tungstène-molybdène.
Le processus de fractionnement de l'eau utilise une très petite quantité d'énergie électrique appliquée à une électrode immergée dans l'eau. En utilisant ce petit potentiel, les protons de la solution peuvent être absorbés à la surface du catalyseur. Ensuite, deux protons vont migrer ensemble pour former une bulle d'hydrogène qui remonte à la surface et libère l'hydrogène.
Du point de vue théorique, les orbitales électroniques jouent un rôle crucial. Dans le cas du MoS2 pur, les orbitales du métal ne se chevauchent pas bien avec l'orbitale de l'hydrogène dans l'étape de réaction clé ; cependant, lorsque l'alliage est présent, ces orbitales interagissent bien et rendent la réaction plus efficace. C'est similaire à ce que fait le platine, et la raison pour laquelle le platine est si économe en énergie lors de cette réaction chimique. Cependant, dans ce travail, les chercheurs ont montré que des éléments moins chers et plus abondants peuvent être utilisés et atteindre une efficacité qui surpasse tous les meilleurs catalyseurs.
"Ce qui se passe dans ces alliages est un chevauchement exquis d'orbitales qui rend la réaction plus efficace. Ceci n'est pas observé dans les composants purs. C'est un exemple où l'hybride est meilleur que les composants purs, " dit José L. Mendoza-Cortes, professeur de génie chimique, science et ingénierie des matériaux et calcul scientifique à l'État de Floride.
Les piles à combustible à hydrogène peuvent stimuler une économie d'énergie propre non seulement dans le secteur des transports, où le ravitaillement rapide et l'autonomie des véhicules dépassent les véhicules à batterie, mais aussi pour stocker l'énergie électrique produite par le solaire et l'éolien. Ce travail est un autre pas en avant pour atteindre cet objectif.
