Une équipe de l'UPC et de l'Institut catalan de nanosciences et nanotechnologies (ICN2) a conçu un photocatalyseur efficace et stable capable de produire de l'hydrogène directement en utilisant la lumière du soleil. Les résultats sont publiés dans la revue Nature Communications .
L’hydrogène est essentiel à cette transition énergétique, à condition qu’il soit produit à partir de sources renouvelables (hydrogène vert). On sait depuis longtemps que les électrons de certains semi-conducteurs peuvent participer à des réactions chimiques lorsqu'ils sont éclairés par la lumière du soleil.
C’est le cas du dioxyde de titane, un matériau bon marché et inoffensif largement utilisé comme pigment blanc dans les peintures, les plastiques, les papiers, les encres et les cosmétiques. Les électrons excités du dioxyde de titane sont capables de générer de l’hydrogène à partir des protons de l’eau et des composés organiques. Cependant, la production d'hydrogène est très faible car les électrons ont tendance à se détendre plutôt qu'à réagir, donc l'efficacité du processus est trop faible d'un point de vue pratique.
Cette limitation peut être surmontée en mettant le dioxyde de titane en contact avec des nanoparticules métalliques, qui agissent comme des filtres électroniques, prolongeant la durée de vie des électrons dans un état excité afin qu'ils puissent réagir et produire de l'hydrogène. Cela nous permet d'obtenir des rendements des centaines de fois supérieurs.
Cette étude constitue une avancée vers une production durable d’hydrogène. Elle a été dirigée par Lluís Soler, chercheur à Ramón y Cajal, et le professeur Jordi Llorca, du groupe de recherche ENCORE-NEMEN du Département de génie chimique et de l'Institut des technologies énergétiques de l'Universitat Politècnica de Catalunya—BarcelonaTech (UPC). Ils font également partie du Centre Spécifique de Recherche sur l'Hydrogène (CER-H2).
Grâce à un procédé mécanochimique, les chercheurs ont déposé des amas métalliques sur des nanoparticules de dioxyde de titane de différentes morphologies et ont découvert que les différentes faces cristallographiques exposées du dioxyde de titane jouent également un rôle clé dans la production d'hydrogène. La stabilité des photocatalyseurs et la force du transfert d'électrons entre le semi-conducteur et les nanoparticules métalliques sont fortement liées aux faces exposées du semi-conducteur, qui sont responsables de la mobilité et de l'agrégation des atomes.
Les résultats sont clairs. Lorsque des amas de platine sont déposés sur des nanoparticules octaédriques de dioxyde de titane, on obtient un photocatalyseur qui produit de plus grandes quantités d'hydrogène et, plus important encore, est beaucoup plus stable que toute autre combinaison. L'étude est un exemple remarquable de la manière dont la nanotechnologie peut être appliquée pour concevoir de nouveaux dispositifs dans le domaine de l'énergie.
Pour comprendre les résultats, Claudio Cazorla, chercheur à Ramón y Cajal, du Département de physique de l'UPC, a effectué des calculs de mécanique quantique pour étudier la structure électronique des photocatalyseurs, qui ont été comparés aux résultats de la spectroscopie photoélectronique à rayons X obtenus au Centre de recherche de l'UPC. en science et ingénierie multi-échelles. Le centre est situé sur le Campus Diagonal-Besòs, tout comme l'École d'Ingénieurs de Barcelone Est (EEBE), où les chercheurs enseignent également.
Les résultats de ces recherches permettront de concevoir de nouveaux catalyseurs pour la production efficace et durable d’hydrogène vert. Des travaux sont déjà en cours au sein du Centre Spécifique de Recherche sur l'Hydrogène de l'UPC pour mettre en pratique ces résultats.
Plus d'informations : Yufen Chen et al, Le TiO2 conçu par Facet pilote l'activité photocatalytique et la stabilité des amas de métaux nobles pris en charge pendant l'évolution du H2, Nature Communications (2023). DOI :10.1038/s41467-023-41976-2
Fourni par l'Université Politècnica de Catalunya · BarcelonaTech (UPC)
