Une équipe de recherche de l'Institut National de la Recherche Scientifique (INRS) s'est associée à des chercheurs français de l'Institut de Chimie et Procédés pour l'Energie, Environnement et Santé (ICPEES), un laboratoire commun de recherche CNRS-Université de Strasbourg, ouvrir la voie à la production d'hydrogène vert. Cette équipe internationale a développé de nouvelles électrodes nanostructurées photosensibles à la lumière du soleil. Les résultats de leurs recherches ont été publiés dans le numéro de novembre 2020 du journal of Matériaux d'énergie solaire et cellules solaires .

Un vecteur de transition énergétique

L'hydrogène est considéré par plusieurs pays de l'Organisation de coopération et de développement économiques (OCDE) comme un acteur clé de la transition vers des industries et des secteurs décarbonés. Selon le professeur de l'INRS My Ali El Khakani, Le Québec pourrait se positionner stratégiquement dans ce secteur énergétique d'avenir. "Grâce aux nanomatériaux de haute performance, nous pouvons améliorer l'efficacité de la dissociation de l'eau pour produire de l'hydrogène. Ce carburant « propre » devient de plus en plus important pour la décarbonisation du poids lourd et des transports publics. Par exemple, des bus utilisant l'hydrogène comme carburant sont déjà en service dans plusieurs pays européens et en Chine. Ces bus émettent de l'eau au lieu de gaz à effet de serre, " a ajouté le physicien et spécialiste des nanomatériaux.

La séparation des molécules d'eau en oxygène et hydrogène a longtemps été effectuée par électrolyse. Cependant, les électrolyseurs industriels sont très énergivores et nécessitent des investissements importants. Les chercheurs de l'INRS et de l'ICPEES se sont plutôt inspirés d'un mécanisme naturel :la photosynthèse. En effet, ils ont développé des électrodes spécialement conçues et structurées qui séparent les molécules d'eau sous la lumière du soleil. Il s'agit d'un processus connu sous le nom de photocatalyse.

Pour une utilisation maximale de l'énergie solaire, les équipes de recherche ont sélectionné un matériau très abondant et chimiquement stable :le dioxyde de titane (TiO 2 ). TiO 2 est un semi-conducteur connu pour être photosensible à la lumière UV, qui ne représente que 5% de l'ensoleillement. Les chercheurs ont utilisé leur expertise dans le domaine pour modifier dans un premier temps la composition atomique du TiO 2 et étendre sa photosensibilité à la lumière visible. Ils ont pu produire des électrodes capables d'absorber jusqu'à 50 % de la lumière émise par le soleil. Un gain important dès le départ !

Les chercheurs ont ensuite procédé à la nanostructuration de l'électrode pour former un réseau de TiO 2 nanotubes qui ressemble à une structure semblable à une ruche. Cette méthode multiplie la surface effective de l'électrode par un facteur 100, 000 ou plus. "La nanostructuration maximise le rapport entre la surface et le volume d'un matériau. Par exemple, TiO 2 les nanostructures peuvent offrir une surface allant jusqu'à 50 m ² par gramme. C'est la superficie d'un appartement de taille moyenne!", a souligné le professeur El Khakani.

L'étape finale de l'élaboration des électrodes est leur « nanodécoration ». Ce procédé consiste à déposer des nanoparticules de catalyseur sur le réseau autrement infini de TiO 2 nanotubes pour augmenter leur efficacité de production d'hydrogène. Pour réaliser cette étape de nanodécoration, les chercheurs ont utilisé la technique de dépôt par ablation laser, un domaine où le professeur El Khakani a développé une expertise unique au cours des 25 dernières années. Le défi n'était pas seulement de contrôler la taille, dispersion et ancrage de nanoparticules de catalyseur sur le TiO 2 matrice de nanotubes, mais aussi de trouver des alternatives aux coûteux catalyseurs classiques à l'iridium et au platine.

Cette recherche a identifié l'oxyde de cobalt (CoO), un matériau assez présent dans l'underground québécois, comme co-catalyseurs efficaces pour séparer les molécules d'eau. Une comparaison des deux matériaux a montré que les nanoparticules de CoO permettaient de décupler l'efficacité photocatalytique de ces nouvelles électrodes nanodécorées sous lumière visible par rapport aux nanotubes nus.