Selon certaines estimations, la quantité d'énergie solaire atteignant la surface de la terre en un an est supérieure à la somme de toute l'énergie que nous pourrions jamais produire en utilisant des ressources non renouvelables. La technologie nécessaire pour convertir la lumière du soleil en électricité s'est développée rapidement, mais les inefficacités dans le stockage et la distribution de cette énergie sont restées un problème important, rendant l'énergie solaire impraticable à grande échelle. Cependant, une percée par des chercheurs du Collège et de la Graduate School of Arts &Sciences de l'UVA, le California Institute of Technology et le Argonne National Laboratory du département américain de l'Énergie, Le Lawrence Berkeley National Laboratory et le Brookhaven National Laboratory pourraient éliminer un obstacle critique du processus, une découverte qui représente un pas de géant vers un avenir énergétique propre.

Une façon d'exploiter l'énergie solaire consiste à utiliser l'électricité solaire pour diviser les molécules d'eau en oxygène et en hydrogène. L'hydrogène produit par le procédé est stocké comme carburant, sous une forme qui peut être transférée d'un endroit à un autre et utilisée pour produire de l'électricité à la demande. Pour diviser les molécules d'eau en leurs composants, un catalyseur est nécessaire, mais les matériaux catalytiques actuellement utilisés dans le procédé, également connue sous le nom de réaction de dégagement d'oxygène, ne sont pas assez efficaces pour rendre le processus pratique.

Grâce à une stratégie chimique innovante développée à l'UVA, cependant, une équipe de chercheurs dirigée par les professeurs de chimie Sen Zhang et T. Brent Gunnoe a produit une nouvelle forme de catalyseur utilisant les éléments cobalt et titane. L'avantage de ces éléments est qu'ils sont beaucoup plus abondants dans la nature que d'autres matériaux catalytiques couramment utilisés contenant des métaux précieux tels que l'iridium ou le ruthénium.

« Le nouveau procédé consiste à créer des sites catalytiques actifs au niveau atomique à la surface de nanocristaux d'oxyde de titane, une technique qui produit un matériau catalytique durable et qui déclenche mieux la réaction d'évolution de l'oxygène. " De nouvelles approches pour des catalyseurs efficaces de réaction d'évolution de l'oxygène et une meilleure compréhension fondamentale de ceux-ci sont essentielles pour permettre une éventuelle transition vers une utilisation à grande échelle d'énergie solaire renouvelable. Ce travail est un exemple parfait de la façon d'optimiser l'efficacité du catalyseur pour la technologie de l'énergie propre en réglant les nanomatériaux à l'échelle atomique. »

Selon Gunnoe, « Cette nouveauté, centré sur les réalisations du laboratoire de Zhang, représente une nouvelle méthode pour améliorer et comprendre les matériaux catalytiques avec un effort résultant qui implique l'intégration de la synthèse de matériaux avancés, caractérisation au niveau atomique et théorie de la mécanique quantique."

"Il y a plusieurs années, UVA a rejoint le consortium MAXNET Energy, composé de huit instituts Max Planck (Allemagne), UVA et Université de Cardiff (Royaume-Uni), qui a réuni des efforts de collaboration internationaux axés sur l'oxydation électrocatalytique de l'eau. MAXNET Energy a été le germe des efforts conjoints actuels entre mon groupe et le laboratoire de Zhang, qui a été et continue d'être une collaboration fructueuse et productive, " a déclaré Gunnoe.

Avec l'aide de l'Argonne National Laboratory et du Lawrence Berkeley National Laboratory et de leurs installations de pointe pour la spectroscopie d'absorption des rayons X synchrotron, qui utilise le rayonnement pour examiner la structure de la matière au niveau atomique, l'équipe de recherche a découvert que le catalyseur a une structure de surface bien définie qui leur permet de voir clairement comment le catalyseur évolue pendant la réaction de dégagement d'oxygène et leur permet d'évaluer avec précision ses performances.

"Le travail a utilisé des lignes de faisceaux de rayons X de la source avancée de photons et de la source lumineuse avancée, y compris une partie d'un programme « d'accès rapide » mis de côté pour une boucle de rétroaction rapide pour explorer des idées scientifiques émergentes ou urgentes, " a déclaré Hua Zhou, physicien aux rayons X d'Argonne, un co-auteur sur le papier. « Nous sommes très heureux que les deux installations scientifiques nationales puissent contribuer de manière substantielle à un travail aussi intelligent et soigné sur la division de l'eau qui fournira un bond en avant pour les technologies d'énergie propre. »

La source de photons avancée et la source de lumière avancée sont toutes deux des installations des utilisateurs du bureau des sciences du département de l'Énergie des États-Unis (DOE) situées au laboratoire national d'Argonne du DOE et au laboratoire national Lawrence Berkeley, respectivement.

En outre, chercheurs au Caltech, en utilisant des méthodes de mécanique quantique nouvellement développées, nous avons pu prédire avec précision le taux de production d'oxygène causé par le catalyseur, qui a fourni à l'équipe une compréhension détaillée du mécanisme chimique de la réaction.

« Nous développons depuis plus de cinq ans de nouvelles techniques de mécanique quantique pour comprendre le mécanisme de réaction d'évolution de l'oxygène, mais dans toutes les études précédentes, nous ne pouvions pas être sûrs de la structure exacte du catalyseur. Le catalyseur de Zhang a une structure atomique bien définie, et nous constatons que nos sorties théoriques sont, essentiellement, en parfait accord avec les observables expérimentaux, " a déclaré William A. Goddard III, professeur de chimie, la science des matériaux, et physique appliquée à Caltech et l'un des principaux chercheurs du projet. « Cela fournit la première validation expérimentale solide de nos nouvelles méthodes théoriques, que nous pouvons maintenant utiliser pour prédire des catalyseurs encore meilleurs qui peuvent être synthétisés et testés. Il s'agit d'une étape majeure vers l'énergie propre mondiale."

"Ce travail est un excellent exemple de l'effort d'équipe de l'UVA et d'autres chercheurs pour travailler vers une énergie propre et les découvertes passionnantes qui découlent de ces collaborations interdisciplinaires, " dit Jill Venton, président du département de chimie de l'UVA.