L'utilisation de l'hydrogène pour la production d'énergie n'a rien de nouveau. Mais avec ses recherches, Doctorat en science et ingénierie des matériaux de l'Université Carnegie Mellon (MSE) le candidat Ajay Pisat espère libérer tout son potentiel en tant que primaire, principal moyen de stockage d'énergie en maximisant l'efficacité de la production d'hydrogène par photocatalyse.

Bien qu'il y ait beaucoup de recherches en cours avec la photocatalyse, Le travail de Pisat au niveau nano est une première étape importante menant à une recherche à plus grande échelle, car il se concentre au niveau le plus bas possible, le niveau structurel. Il passe son temps dans le laboratoire à concevoir la morphologie de surface des composés d'oxyde, optimiser leurs surfaces de dégagement d'hydrogène qui, à son tour, augmente l'efficacité de la production d'hydrogène par photocatalyse.

Si Pisat est capable de concevoir scientifiquement la structure de surface du composé d'oxyde que son laboratoire utilise :le titanate de strontium, qui a une structure similaire à de nombreux autres composés d'oxyde - pour une efficacité maximale, il peut alors concevoir des composés similaires qui absorbent mieux la lumière du soleil. Les chercheurs pourraient alors utiliser ces composés à plus grande échelle, sur des systèmes photocatalytiques entiers.

« On sent que c'est la structure de la matière qui est vitale au processus, ", dit Pisat. "Mais la chimie du matériau est vitale pour la fonctionnalité réelle."

La science

Photocatalyse, en général, utilise la lumière en conjonction avec des matériaux catalyseurs pour permettre ou accélérer les réactions chimiques. La réaction particulière impliquant la séparation de l'eau en hydrogène et oxygène est appelée séparation photocatalytique de l'eau, ou la production d'hydrogène photocatalytique. L'hydrogène produit peut ensuite être utilisé pour alimenter sur site des piles à combustible ou des générateurs indépendants des réseaux électriques basés sur les infrastructures, en d'autres termes, une source d'alimentation cohérente dans les endroits où ces réseaux électriques n'atteignent pas.

Deux avantages supplémentaires de la recherche continue sur l'énergie hydrogène sont la propreté et la renouvelabilité de l'énergie hydrogène résultante. Contrairement aux émissions de carbone et aux gaz à effet de serre qui résultent des combustibles fossiles, l'hydrogène ne produit pas de sous-produits nocifs.

En outre, la lumière solaire et l'eau nécessaires à la production d'hydrogène photocatalytique sont presque infinies. Avec la lumière du soleil et de l'eau, la photocatalyse nécessite un catalyseur. Un catalyseur est un matériau qui augmente la vitesse d'une réaction chimique. Dans le processus photocatalytique, un catalyseur (le plus souvent un composé d'oxyde) est immergé dans l'eau. Quand l'eau est bombardée de soleil, le catalyseur provoque une réaction chimique aux points où le composé catalyseur entre en contact avec l'eau. C'est cette réaction qui sépare les molécules d'eau.

Bien que cela puisse sembler un processus assez simple, les chercheurs ont rencontré quelques obstacles qui empêchent la photocatalyse de produire son potentiel maximum d'hydrogène. L'un est l'absorption de la lumière des catalyseurs composés d'oxyde. À ce jour, les scientifiques ont eu du mal à trouver un composé approprié capable d'absorber la gamme visible du spectre solaire, qui détient l'énergie nécessaire à la photocatalyse. La plupart des composés sont très bons pour absorber les rayons UV, mais ces rayons ne représentent que 5% de l'ensemble du spectre lumineux, et certains composés absorbent le rayonnement infrarouge, qui n'a pas suffisamment d'énergie pour la photocatalyse.

Un autre défi est la quantité d'hydrogène produite par un catalyseur. La production d'hydrogène est directement liée à la surface du catalyseur.

La façon dont Pisat l'explique :imaginez votre téléphone portable immergé dans une baignoire d'eau. Partout où l'eau frappe l'extérieur de votre téléphone, des réactions chimiques (par exemple, la production d'hydrogène) se produiront. Imaginez maintenant que vous coupez votre téléphone portable en deux morceaux.

"Maintenant, nous avons exposé deux autres surfaces, " dit Pisat. " Et si nous continuons à faire ça, nous allons simplement exposer de plus en plus de surface pour la même quantité de masse. plus d'hydrogène sera produit.

Essayez maintenant d'imaginer quelque chose de plus petit qu'un téléphone. Peut-être, par exemple, une tasse pleine de granulés si petits qu'ils ressemblent à de la poudre. Imaginez ramasser un seul de ces granulés. C'est presque comme ramasser un grain de sable, seulement plus petit. C'est là que Pisat fait son travail :le nano-niveau.

Les réactions photocatalytiques consistent en fait en deux réactions individuelles :le dégagement d'hydrogène et sa contre-réaction. Différentes structures de surface ont tendance à favoriser une réaction par rapport à l'autre, réduisant l'efficacité de la réaction globale. Le travail de Pisat au niveau nano consiste à équilibrer les zones de ces réactions individuelles à l'aide de traitements thermiques peu coûteux afin que la réaction globale puisse se dérouler aussi efficacement que possible.

L'inspiration

Bien que ses recherches soient singulières et étonnamment ciblées, Pisat considère son travail comme une petite partie d'un processus beaucoup plus vaste. Ce processus plus important pourrait être décrit à juste titre comme une autoroute à six voies, chaque voie fonçant vers la même ligne d'arrivée. Il se trouve que Pisat a trouvé sa voie en tant qu'étudiant de premier cycle en Inde.

En tant que natif de Mumbai, il a grandi dans un monde qui a influencé sa décision de poursuivre ses recherches. "De mon vivant, " il dit, "J'ai pu constater que le climat n'est pas le même. J'ai vu la qualité de l'air se dégrader tout au long de ma propre enfance." Tous les cinq ans, il partage, il pouvait voir et sentir la qualité de l'air baisser autour de lui.

Alors, quand il est entré à l'université, il a été très pointu sur la spécialité qu'il a choisie :l'ingénierie des matériaux. Par ses études, il s'est impliqué dans la recherche sur la propreté, hydrogène renouvelable par photocatalyse et ingénierie des matériaux de composés oxydes.

En poursuivant son doctorat. à Carnegie Mellon, il a choisi un programme où il pourrait étudier avec non un, mais trois professeurs menant des recherches au niveau nanométrique sur les composés d'oxyde utilisés en photocatalyse :Gregory Rohrer, Paul Salvador, et Mohammed Islam. Actuellement, il est co-encadré par les professeurs Rohrer et Salvador.

Ayant une vision large de ses recherches et de celles des autres, Pisat apprécie le travail qui reste à faire.

"Il pourrait ne pas être utilisé tout de suite parce que tout le reste est tellement bon marché, " il dit, lorsqu'on les interroge sur l'avenir pratique de l'hydrogène. « Le charbon est tellement bon marché. La concurrence avec ce genre de technologies va donc prendre un certain temps. »

Tandis que, comme il dit, cela prendra du temps, Pisat a fait de grands progrès. "Je fais vraiment beaucoup de progrès, " il dit, en termes de résultats qu'il voit dans le laboratoire. « Une fois cette technique [optimisation de la morphologie de surface] mise au point, " il ajoute, « les gens vont essayer de l'utiliser pour concevoir des systèmes photocatalytiques entiers afin que la production d'hydrogène soit entièrement alimentée par l'énergie solaire. Peut-être alors, après cinq ou dix ans, nous pouvons les voir rivaliser avec le gaz."