La pollution de l'environnement et une énergie propre abordable sont les deux principaux objectifs de développement durable fixés par l'Assemblée générale des Nations Unies en 2015. Tous les pays se fixent des objectifs de décarbonation d'ici 2050 et d'augmentation de l'utilisation de l'hydrogène vert pour réduire la charge de consommation électrique annuelle. .
Les industries et les groupes de recherche ont collaboré conjointement pour augmenter la production d’hydrogène vert et réduire le coût de production. En 2023, nous avons remarqué les crises énergétiques mondiales dans de grandes régions d'Europe pendant la guerre, entraînant des prix élevés et une pénurie de gaz naturel liquéfié et l'aggravation du changement climatique.
Généralement, l’hydrogène vert est généré via des électrolyseurs et la division photocatalytique de l’eau. Il existe certains obstacles à la production commercialisée d'hydrogène vert, tels que les coûts de production élevés, la stabilité des photocatalyseurs, les performances des catalyseurs et l'utilisation de l'eau de mer.
La division solaire photocatalytique de l’eau a ouvert une nouvelle fenêtre d’opportunité pour la production d’hydrogène vert à faible coût dans le respect de la protection de l’environnement. La lumière solaire est abondante dans l'environnement et le choix du photocatalyseur approprié, stable et à long terme, à haute performance, peut améliorer la production et réduire le prix de l'hydrogène vert.
Notamment, tous les photocatalyseurs disponibles pour la production d’hydrogène par division de l’eau se présentent sous forme de nanoparticules en poudre, provoquant des pertes et des agressions de métaux, entraînant une activité photocatalytique moindre et un impact sur le coût d’exploitation. De plus, les systèmes photocatalyseurs à nanoparticules en poudre fonctionnent uniquement en mode batch et sont incapables de contrôler le taux de production d'hydrogène.
Le photocatalyseur de nanoparticules en poudre contient des semi-conducteurs qui peuvent s'infiltrer dans les plans d'eau et nuire à la pyramide écologique. Des structures métallo-organiques ont été proposées pour soutenir les nanoparticules de l'alliage afin d'empêcher l'agrégation des métaux pendant la réaction et de stimuler l'activité catalytique.
L'équipe dirigée par le professeur Kajari Kargupta du laboratoire de nano-ingénierie et d'énergie durable du département de génie chimique de l'université de Jadavpur, en Inde, a maintenant développé un hydrogel d'alginate organique 3D recyclable et respectueux de l'environnement encapsulé dans un photocatalyseur de type bille. L'étude est publiée dans le International Journal of Hydrogen Energy. .
Ces types de photocatalyseurs d’hydrogel à base de structure métallo-organique 3D peuvent fournir un taux constant d’hydrogène continu. L'effet toxique du semi-conducteur est minimisé grâce à l'encapsulation avec l'alginate de sodium, un matériau de qualité alimentaire.
L'alginate de sodium est le biopolymère préféré pour les millisphères encapsulées dans un photocatalyseur. Il est fabriqué commercialement à partir d’extrait d’algue brune. Au fil du temps, plusieurs groupes de recherche ont formé divers composites métal-polymère en raison de l'immobilisation des ions métalliques pendant le processus de gélification.
Un système à circulation alimenté par pression fonctionnant en mode discontinu et continu sous irradiation solaire à bande complète a été étudié pour améliorer la production solaire d'hydrogène à partir de l'eau à l'aide d'une nouvelle millisphère 3D de photocatalyseur encapsulé dans un hydrogel d'alginates organiques avec une capacité de rétention d'eau élevée. L'accent principal a été mis sur le rôle de l'amélioration de l'adsorption de la molécule d'eau sur les sites actifs du photocatalyseur sur les performances de la production d'hydrogène solaire.
D'un point de vue fonctionnel, l'ajout d'alginate de sodium augmente l'activité du photocatalyseur et sa capacité de rétention d'eau, permettant ainsi le processus de génération continue d'hydrogène. D'un point de vue opérationnel, la présence d'alginate augmente l'activité du photocatalyseur et sa capacité de rétention d'eau, permettant le processus de génération constante d'hydrogène.
Chaque photocatalyseur encapsulé dans de l'alginate en forme de bille sphérique fonctionne comme un producteur d'hydrogène miniature ou un réacteur photocatalytique. Les hydrogels d’alginate ont également montré une recyclabilité et une réutilisation exceptionnelles. Leur répétabilité synthétique et leur évolutivité linéaire sont confirmées par le fait que la quantité totale d'hydrogène générée augmente linéairement avec le nombre de billes encapsulées dans le photocatalyseur tandis que le taux normalisé en volume reste constant.
Le degré d’hydratation – à la fois pré-adsorption et adsorption dynamique de l’eau – influence fortement la vitesse à laquelle l’hydrogène est produit. Un réacteur à flux est utilisé pour produire de l’hydrogène à un débit constant ; lorsque le débit entrant tombe en dessous d'une valeur critique, le taux de production reste constant, indiquant que chaque catalyseur sphérique fonctionne comme un petit générateur d'hydrogène.
Le professeur Kargupta est expérimenté dans la transformation de prototypes à l'échelle du laboratoire en applications commerciales pratiques, et notre équipe multidisciplinaire possède une expertise dans la production d'hydrogène solaire, la fabrication de membranes/électrodes d'électrolyte de pile à combustible et la séquestration du carbone. L'équipe tente d'augmenter la capacité de l'hydrogène généré pour alimenter les piles à combustible portables dans les zones reculées.
Le principal produit chimique utilisé pour l'encapsulation du photocatalyseur est l'alginate de sodium, qui est considéré comme un matériau de qualité alimentaire (émulsifiant, stabilisant, épaississant et gélifiant) par la Food and Drug Administration des États-Unis et la Commission européenne. Le photocatalyseur à base d'hydrogel d'alginate avec un photoréacteur approprié sera assemblé avec des piles à stockage élevé et des piles à combustible au cours des deux prochaines années. Nous prévoyons de collaborer avec des partenaires industriels pour développer ce photocatalyseur haute performance à l'échelle industrielle.
Cette histoire fait partie de Science X Dialog, où les chercheurs peuvent rapporter les résultats de leurs articles de recherche publiés. Visitez cette page pour plus d'informations sur ScienceX Dialog et comment participer.
Plus d'informations : Sayantanu Mandal et al, Millisphères rGO-CdS encapsulées dans de l'alginate organique pour une production photocatalytique remarquable d'hydrogène solaire, International Journal of Hydrogen Energy (2023). DOI :10.1016/j.ijhydene.2023.09.137
Le professeur Kajari Kargupta, département de génie chimique, Université de Jadavpur, a obtenu son doctorat. sur "Instabilité et formation de motifs dans les films minces :rôle de l'hétérogénéité, de l'évaporation et du glissement" en 1998 de l'I.I.T. Kanpur. Elle possède une expertise sur les systèmes de couches minces, la génération de motifs, la formation de nanostructures de différentes morphologies et leur application. Elle a réalisé avec succès plusieurs projets parrainés par SERB DST, UGC, DBT et DRDO et a à son actif plus de 100 publications dans des revues à comité de lecture. Elle a de l'expérience dans la formulation de matériaux nano-hybrides bimétalliques à base de graphène de différentes morphologies et dans leur application comme catalyseurs et électrocatalyseurs pour la génération d'hydrogène. Dans le cadre d'un précédent projet parrainé par DST, elle a exploré la synthèse et la caractérisation de catalyseurs nano-hybrides bimétalliques à base de graphène pour la production d'hydrogène à partir de borohydrure de sodium et d'électro-oxydation de borohydrure ; sur la base de la cartographie composition-morphologie-performance, un nouveau catalyseur nano-hybride G-Co-Pt à coque centrale connectée et basé sur rGO qui présente une excellente propriété de transport d'électrons a été exploré pour la génération d'hydrogène ainsi qu'un catalyseur ORR pour réduire la charge en Pt. Le Dr Kargupta possède de l'expérience dans la synthèse et la caractérisation d'électrocatalyseurs pour l'électro-oxydation, la réaction de réduction de l'oxygène et l'application des piles à combustible. Elle a exploré la production d'hydrogène solaire photocatalytique et photoélectrocatalytique par division de l'eau ; dont l’objectif est de résoudre les principaux goulots d’étranglement des processus et d’améliorer l’efficacité de l’énergie solaire vers l’hydrogène. Sur la base de simulations expérimentales et quantiques, le rôle des catalyseurs nano-hybrides/photo-catalyseurs et des catalyseurs photo-électro est analysé et exploré. Plus tôt, dans le cadre du projet majeur de l'UGC, le professeur Kargupta a exploré différents électrolytes membranaires nanocomposites inorganiques-organiques ainsi que des électrolytes de type gel portables, durables et conducteurs de protons, en particulier pour l'application portable des piles à combustible. Le professeur Kargupta a de l'expérience dans la gestion de 10 projets sponsorisés en tant que PI et Co-PI. Elle a également travaillé avec NMRL, DRDO sur un projet de mission lié à l'application des piles à combustible en tant que fournisseur de services de recherche.
M. Sayantanu Mandal termine actuellement son doctorat. au Département de génie chimique de l'Université de Jadavpur, sous la supervision du professeur Kajari Kargupta. Depuis trois ans, il travaille sur la génération d'hydrogène et la fabrication d'une membrane électrolytique pour pile à combustible à haute température. Actuellement, il est également chercheur principal d'un projet dans le cadre de la carte des installations indiennes d'ingénierie scientifique et technologique sous le gouvernement indien (I-STEM) avec son guide, le professeur Kajari Kargupta (I-STEM/Catalyticgrant/acad_24/2022-23). Il est également membre permanent de certaines des organisations scientifiques mondiales prestigieuses telles que l'Association internationale des ingénieurs (IAENG) et l'Académie internationale des sciences et de l'ingénierie pour le développement (IASED) de Hong Kong. Il fait également partie du comité technique du comité technique du MEAMT 2023, du NanoMT 2023 et de l'ICFMCE 2023 en tant que pair évaluateur.
Informations sur le journal : Journal international sur l'énergie hydrogène
