Les chercheurs d'Argonne produisent des traces d'hydrogène avec la lumière visible en fusionnant des protéines collectant la lumière d'un organisme unicellulaire avec une plate-forme de graphène. Le graphène et les protéines absorbent la lumière et redirigent les électrons vers le dioxyde de titane. Les électrons interagissent avec les protons sur le site des nanoparticules de platine pour produire de l'hydrogène. Crédit :John Lambert.
(Phys.org) - Des chercheurs du laboratoire national d'Argonne du département américain de l'Énergie (DOE) ont créé un "générateur d'hydrogène" à petite échelle qui utilise la lumière et une plate-forme de graphène bidimensionnelle pour stimuler la production de l'élément difficile à fabriquer.
La recherche a également dévoilé une propriété auparavant inconnue du graphène. La chaîne bidimensionnelle d'atomes de carbone non seulement donne et reçoit des électrons, mais peut aussi les transférer dans une autre substance.
L'hydrogène est pratiquement partout sur la planète, mais l'élément est généralement lié à d'autres éléments et doit être séparé de l'oxygène dans H2O pour produire de l'hydrogène libre. Le processus de séparation commerciale utilise du gaz naturel pour réagir avec de la vapeur surchauffée pour éliminer les atomes d'hydrogène produisant de l'hydrogène combustible, mais aussi le dioxyde de carbone, un sous-produit de gaz à effet de serre qui s'échappe dans l'atmosphère.
Le générateur de démarrage d'Argonne, composé de nombreux petits assemblages, est la preuve que l'hydrogène peut être produit sans brûler de combustibles fossiles. L'échelle est petite, un peu plus petit que le diamètre de la soie d'araignée. L'intensification de cette recherche à l'avenir peut signifier que vous pourriez remplacer l'essence de vos voitures et de vos générateurs par de l'hydrogène - une option plus verte, car la combustion de l'hydrogène n'émet que de la vapeur d'eau.
« De nombreux chercheurs se tournent vers les matériaux inorganiques pour de nouvelles sources d'énergie, " a déclaré Elena Rojkova, chimiste au Centre des matériaux nanométriques d'Argonne, une installation utilisateur du DOE Office of Science (Office of Basic Energy Sciences). "Notre objectif est d'apprendre du monde naturel et d'utiliser ses matériaux comme éléments constitutifs de l'innovation."
Pour Rojkova, ce bloc de construction particulier est inspiré par la fonction d'une ancienne protéine connue pour transformer la lumière en énergie. Les chercheurs savent depuis longtemps que certains organismes unicellulaires utilisent une protéine appelée bactériorhodopsine (bR) pour absorber la lumière du soleil et pomper des protons à travers une membrane, créant une forme d'énergie chimique. Ils savent également que l'eau peut être divisée en oxygène et hydrogène en combinant ces protéines avec du dioxyde de titane et du platine, puis en les exposant à la lumière ultraviolette.
Il n'y a qu'un seul bémol :le dioxyde de titane ne réagit qu'en présence de lumière ultraviolette, qui ne représente que quatre pour cent du spectre solaire total. Si les chercheurs voulaient alimenter leurs générateurs avec la lumière du soleil, il faudrait qu'ils s'améliorent là-dessus.
Afin de produire de plus grandes quantités d'hydrogène en utilisant la lumière visible, les chercheurs ont cherché un nouveau matériau. Le nouveau matériau aurait besoin d'une surface suffisante pour déplacer les électrons rapidement et uniformément et augmenter l'efficacité globale du transfert d'électrons. Les chercheurs avaient également besoin d'une plate-forme sur laquelle les composants biologiques, comme bR, pourrait survivre et se connecter avec le catalyseur au dioxyde de titane :en bref, un matériau comme le graphène.
Le graphène est un super fort, ultra léger, presque une feuille d'atomes de carbone totalement transparente et l'un des meilleurs conducteurs d'électricité jamais découverts. Le graphène doit ses propriétés étonnantes à sa dimension bidimensionnelle.
"Le graphène a non seulement toutes ces propriétés étonnantes, mais il est aussi ultra-mince et biologiquement inerte, " a déclaré Rozhkova. " Sa présence même a permis aux autres composants de s'auto-assembler autour de lui, ce qui change totalement la façon dont les électrons se déplacent dans notre système."
Le mini-générateur d'hydrogène de Rozhkova fonctionne comme ceci :la protéine bR et la plate-forme de graphène absorbent la lumière visible. Les électrons de cette réaction sont transmis au dioxyde de titane sur lequel ces deux matériaux sont ancrés, rendant le dioxyde de titane sensible à la lumière visible.
Simultanément, la lumière de l'extrémité verte du spectre solaire incite la protéine bR à commencer à pomper des protons le long de sa membrane. Ces protons se dirigent vers les nanoparticules de platine qui reposent sur le dioxyde de titane. L'hydrogène est produit par l'interaction des protons et des électrons lorsqu'ils convergent vers le platine.
Des examens utilisant une technique appelée résonance paramagnétique électronique (EPR) et une spectroscopie résolue en temps au Center for Nanoscale Materials ont vérifié les mouvements des électrons au sein du système, tandis que des études électrochimiques ont confirmé que les protons ont été transférés. Les tests ont également révélé une nouvelle bizarrerie du comportement du graphène.
"La majorité des recherches indiquent que le graphène conduit et accepte principalement des électrons, " a déclaré Peng Wang, chercheur postdoctoral à Argonne. " Notre exploration à l'aide de l'EPR nous a permis de prouver, expérimentalement, que le graphène injecte également des électrons dans d'autres matériaux."
Le générateur d'hydrogène de Rozhkova prouve que la nanotechnologie, fusionné avec la biologie, peut créer de nouvelles sources d'énergie propre. La découverte de son équipe pourrait offrir aux futurs consommateurs une alternative à l'essence d'inspiration biologique.
"Ce sont les types de découvertes que nous pouvons faire à Argonne, " a déclaré Rozhkova. " Travaillant dans les sciences fondamentales de l'énergie, nous avons pu démontrer une alternative riche en énergie d'inspiration biologique au gaz."
Cette recherche, "Voies de transfert d'électrons photoinduites dans le catalyseur nano-bio hybride à augmentation d'oxyde de graphène réduit et à évolution d'hydrogène, " paru dans le numéro du 7 juillet de ACS Nano .