Jay Winkler et son équipe zappent des métaux pour créer de nouveaux catalyseurs à combustible solaire. Crédit : Institut de technologie de Californie
Dans la recherche d'alternatives aux carburants pétroliers, l'un des plus prometteurs, et stimulant, stratégies consiste à diviser l'eau. Pendant des décennies, les chercheurs ont fait des progrès dans l'utilisation de la lumière du soleil pour diviser les molécules d'eau en oxygène et en hydrogène, dans lequel l'hydrogène gazeux résultant peut être utilisé comme carburant stocké. Mais la méthode est encore trop chère. Des matériaux appelés catalyseurs sont nécessaires pour exécuter la réaction, et le catalyseur qui fonctionne le mieux, platine, est rare et cher. La chasse est ouverte pour de bons catalyseurs faits de Terre abondante, matériaux bon marché.
"Les gens parlaient de diviser l'eau quand j'étais étudiant diplômé, pendant la crise énergétique de la fin des années 1970. En réalité, vous pouvez trouver des articles dans la littérature où les gens en parlent dès le début du 20e siècle, " dit Jay Winkler (Ph.D. '84), professeur associé et conférencier en chimie à Caltech et membre de l'Institut Beckman. "Le platine fonctionne très bien comme catalyseur, mais ce n'est pas un matériau pratique pour la production d'énergie à grande échelle parce qu'il n'y en a tout simplement pas assez. Certains autres matériaux exécutent bien la réaction mais sont également très rares. »
Winkler et ses collègues, dirigé par Harry Gray, le professeur Arnold O. Beckman de chimie et ancien conseiller diplômé de Winkler, ont été occupés à développer de nouveaux types de catalyseurs à base de matériaux respectueux de l'environnement comme le fer et le nickel. Leur objectif n'est pas seulement de trouver de nouveaux catalyseurs faits de matériaux abondants sur Terre, mais aussi de trouver des moyens de faire en sorte que ces catalyseurs entraînent la réaction de division de l'eau aussi efficacement que possible. Cela réduirait suffisamment le coût global de la réaction pour concurrencer les ressources naturelles comme le pétrole. Cette recherche est associée au Centre d'Innovation Chimique dans les Combustibles Solaires (CCI Solar), un centre de la National Science Foundation basé à Caltech.
Winkler se concentre sur le zapping des métaux avec des lasers. Il y a environ cinq ans, lui et Astrid Müller, puis un scientifique du personnel de Caltech et maintenant professeur à l'Université de Rochester, affiner une technique dans laquelle un laser pulsé à haute énergie est focalisé sur un métal dans un liquide (comme le fer dans l'eau), générant une température et une pression très élevées. Le processus crée une bulle qui s'effondre et se dilate plusieurs fois en quelques millisecondes, libérant des nanoparticules à base de fer, qui sont les candidats pour catalyser la réaction de séparation de l'eau.
"Les réactions laser créent un éclair lumineux et une forte détonation, " dit Winkler. " Nous avons dû installer un caisson insonorisé tout autour car on pouvait l'entendre dans le hall. "
Une méthode à base de laser pour générer de nouveaux catalyseurs de combustible solaire est présentée dans cette vidéo de radiographie aux rayons X, qui a été ralenti. Les images sont enregistrées à l'aide d'un faisceau de rayons X à large bande orienté parallèlement à la cible et détectées à l'aide d'une caméra à rayons X à grande vitesse. Après qu'une impulsion laser de 10 nanosecondes ait atteint une cible en métal argenté, on voit une bulle s'agrandir, se contracter puis s'étendre à nouveau. Les nanoparticules solides qui composent les catalyseurs de combustibles solaires candidats s'écoulent à la fin. Crédit : Institut de technologie de Karlsruhe, Anton Plech (Source :Ibrahimkutty et al. Sci. Rep. 2015)
L'eau fendue est, en général, une réaction un peu simple. L'idée est d'utiliser l'énergie de la lumière du soleil pour séparer deux molécules d'eau (2H
"L'exécution de cette réaction nécessite de l'énergie, puis nous stockons cette énergie. Nous voulons trouver des catalyseurs qui produiront de l'oxygène plus rapidement et avec le moins d'énergie supplémentaire possible."
Winker et son équipe se concentrent sur la première moitié de la réaction de séparation de l'eau; créant l'oxygène. Dans leurs expériences, en remplacement de la lumière du soleil, ils utilisent une électrode alimentée en électricité. Une fois qu'ils ont fabriqué leurs catalyseurs potentiels par la technique du laser, ils enduisent l'électrode avec les catalyseurs et exécutent la réaction, pour voir à quelle vitesse l'oxygène est généré.
Jusque là, les chercheurs ont quelques bons candidats, tel qu'un type de matériau nanoparticulaire à base de fer connu sous le nom de nanofeuillet d'hydroxyde à double couche de fer et de nickel. L'équipe a essayé de comprendre exactement pourquoi ce catalyseur fonctionne bien. Dans une série d'expériences, ils ont développé une méthode électrochimique pour piéger et caractériser les états moléculaires générés au cours de la réaction afin de découvrir ceux qui sont essentiels à son efficacité. Ils ont découvert qu'un site de fer fortement oxydé sur le bord d'une nanofeuille était un élément essentiel de la catalyse. Ce travail, qui était dirigée par Bryan Hunter de l'Université Harvard alors qu'il était étudiant diplômé à Caltech dans le Grey Lab (Ph.D. '17), aidera d'autres chercheurs à peaufiner le catalyseur et à le rendre encore meilleur.
À l'avenir, l'équipe continuera d'explorer de nouveaux catalyseurs pour fabriquer du carburant à hydrogène. Par exemple, ils expérimentent avec des liquides autres que l'eau à utiliser dans leurs essais de zapping laser.
« Les carburants à l'hydrogène ne sont pas largement utilisés actuellement, ", dit Winkler. "Mais je pense que nous arriverons à un point où nous pourrons rendre ces carburants plus efficaces, et alors ils deviendront plus compétitifs sur le plan économique."
