La recherche d'approches durables pour générer de nouveaux carburants a ramené les scientifiques à l'un des matériaux les plus abondants sur Terre :l'oxyde de fer rougeâtre sous forme d'hématite, également connu sous le nom de rouille.

Les chercheurs disent que la rouille a longtemps été considérée comme un matériau potentiellement attrayant pour la séparation de l'eau solaire, un processus clé que les plantes utilisent dans la photosynthèse. Les plantes utilisent une enzyme appelée photosystème II (PSII) pour absorber la lumière et diviser l'eau, extraire des électrons et des protons des molécules d'eau et générer l'oxygène atmosphérique qui soutient la vie sur Terre.

La rouille peut offrir un moyen d'imiter l'aspect de division de l'eau solaire de la photosynthèse, permettant de générer du carburant à partir de l'eau, soit en combinant des protons et des électrons pour la génération d'hydrogène, ou en utilisant les électrons et les protons pour convertir le dioxyde de carbone en hydrocarbures. Le problème, disent les scientifiques, est que les performances de la rouille dans de nombreuses expériences de séparation de l'eau ont été décevantes par rapport à son potentiel théorique. Ils disent qu'une compréhension fondamentale du mécanisme de réaction fait défaut, empêchant le développement de dispositifs de séparation solaire directe de l'eau.

Une nouvelle étude de Victor Batista à l'Université de Yale en collaboration avec James Durrant de l'Imperial College, Londres, et Michael Grätzel de l'Institut des Sciences et Ingénierie Chimiques, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Lausanne, La Suisse, propose quelques réponses.

L'étude met en lumière le mécanisme d'oxydation de l'eau se produisant à l'interface oxyde métallique/eau. Une étude combinée informatique et expérimentale sur le mécanisme d'oxydation de l'eau a révélé que si vous modifiez l'intensité de la lumière, vous modifiez également le mécanisme de fractionnement de l'eau sur l'hématite. Les chercheurs disent que cela fournit des indications précieuses sur la nature des sites responsables de la réactivité à la surface de l'oxyde.

Travail informatique effectué par le co-auteur de l'étude Ke Yang, chercheur postdoctoral dans le groupe Batista, identifié des sites catalytiques isolés - sous faible intensité lumineuse et à deux atomes, Noyau catalytique Fe(OH)-O-Fe(OH) - qui génère suffisamment de puissance d'oxydation pour extraire les électrons de l'eau en accumulant jusqu'à trois équivalents oxydants (électrons manquants) dans des conditions de fonctionnement à 1 soleil (la pleine intensité de la lumière du soleil sur un fond clair, journée ensoleillée). Ce mécanisme mime l'activation du PSII lors de la photosynthèse, les chercheurs ont dit.

L'étude paraît dans la revue Chimie de la nature .

"L'intégration de travaux informatiques et expérimentaux a été essentielle pour élucider la nature des sites catalytiques sur des surfaces d'oxyde métallique plutôt compliquées et la dépendance du mécanisme de réaction dans des conditions d'intensité lumineuse faible et élevée, " dit Batista.

En 2018, Batista est co-auteur d'une étude distincte décrivant des catalyseurs à deux atomes. Les chercheurs ont déclaré que la découverte, avec la nouvelle étude, suggère que les noyaux catalytiques à deux atomes comportant deux centres métalliques adjacents pourraient être particulièrement adaptés pour obtenir une séparation efficace de l'eau.

"Produire de l'oxygène à partir de l'eau nécessite de multiples oxydations, " dit Durrant. " Expérimentalement, la clé de notre étude a été d'utiliser la spectroscopie d'absorption optique pour mesurer comment la cinétique de l'oxydation de l'eau change à mesure que nous accumulons plus de trous à la surface de l'hématite. Cela nous a permis de déterminer les lois de vitesse et les constantes de vitesse de la réaction; par exemple, déterminer combien de trous doivent se réunir pour accéder à l'étape de limitation de vitesse de la réaction, et déterminer l'énergie d'activation pour la réaction."