L'hydrogène est crucial pour l'industrie du raffinage du pétrole et la production de produits chimiques essentiels tels que l'ammoniac utilisé dans les engrais. La production d'hydrogène étant coûteuse, les scientifiques ont longtemps cherché une alternative, méthodes écoénergétiques pour séparer les atomes d'hydrogène de sources abondantes telles que l'eau.

Des structures à l'échelle nanométrique constituées de sphères de métal et d'oxyde bon marché ont récemment été démontrées comme un excellent catalyseur pour une réaction de production d'hydrogène alimentée uniquement par la lumière du soleil. L'étude a été réalisée par Ming-Yong Han et ses collègues de l'A*STAR Institute of Materials Research and Engineering, Singapour, travaillant en collaboration avec une équipe de chercheurs de Singapour et de France.

Han et son équipe ont mélangé des sphères d'or de 50 nanomètres de diamètre dans un précurseur de dioxyde de titane de telle sorte qu'une sphère de dioxyde de titane se soit formée sur le côté de chaque nanoparticule d'or. Les structures avec cet arrangement à deux sphères sont connues sous le nom de particules de Janus, nommé d'après le dieu à deux têtes de la mythologie romaine. Alors que les particules de Janus étaient en suspension dans un mélange d'eau et d'alcool isopropylique, Han et ses collègues ont braqué une lumière visible sur eux et mesuré la production d'hydrogène, qui a procédé à une vitesse aussi rapide que 2 millilitres par minute.

Les chercheurs ont ensuite utilisé des modèles théoriques pour montrer que ce taux de production était causé par des effets dits plasmoniques :c'est-à-dire les électrons à la surface de la nanoparticule d'or à la jonction avec le dioxyde de titane se sont couplés à la lumière entrante et ont formé des particules hybrides lumière-matière appelées polaritons de plasmon. L'énergie absorbée par ces particules passe ensuite dans le liquide environnant, et cela a conduit à la réaction chimique libérant de l'hydrogène.

"Nos travaux donnent un aperçu des mécanismes qui seront utiles pour le développement futur de photocatalyseurs haute performance, " dit Han. En effet, Han et ses collègues ont pu encore améliorer l'efficacité de la production d'hydrogène :ils ont augmenté la surface de l'interface métal-oxyde en utilisant des nanoparticules d'or plus grosses.

Les particules de Janus étaient 100 fois plus efficaces en tant que catalyseur pour la production d'hydrogène que les nanoparticules d'or nues. De plus, ils étaient plus d'une fois et demie meilleurs qu'un autre type courant de nanoparticule plasmonique, particules noyau-enveloppe, dans lequel le matériau oxyde forme un revêtement autour de la nanoparticule métallique.

"Nous espérons ensuite développer une meilleure compréhension des processus qui se produisent à l'interface métal-titane-dioxyde en utilisant une combinaison d'observations expérimentales et de simulations théoriques, ", dit Han. "Cela nous rapprochera de notre objectif ultime d'utiliser l'éclairage solaire comme source abondante d'énergie renouvelable."