Des chercheurs du Technion en Israël et de l’Université de Bologne en Italie ont amélioré de façon spectaculaire l’utilisation de l’énergie solaire pour produire de l’hydrogène et d’autres produits.
Depuis des décennies l’hydrogène est considérée comme le carburant du futur, car sa combustion ne libère que de l’énergie et de l’eau et ne pollue pas l’environnement. Mais la majeure partie de l’hydrogène d’aujourd’hui est produite à partir de gaz naturel dans un processus polluant qui contribue au réchauffement climatique. Une alternative prometteuse pour une production propre et renouvelable d’hydrogène consiste à diviser l’eau en hydrogène et en oxygène, en utilisant la lumière du soleil, par un processus appelé photocatalyse.
Dans ce processus, les charges électriques positives et négatives générées dans les particules semi-conductrices après l’absorption de la lumière solaire, sont exploitées pour la promotion de réactions chimiques d’intérêt. Dans le cas du fractionnement de l’eau, les charges électriques cassent les molécules d’eau ; les charges négatives produisent de l’hydrogène et les charges positives produisent de l’oxygène. Les deux réactions, impliquant les charges positives et négatives, doivent avoir lieu simultanément. Sans tirer parti des charges positives, les charges négatives ne peuvent pas être acheminées pour produire l’hydrogène souhaité.
En conséquence, même si l’oxygène n’est pas considéré comme un produit précieux, un grand effort mondial a été consacré au développement de systèmes de photocatalyse capables de réaliser une division globale de l’eau, qui a rencontré peu de succès. La réaction de fractionnement de l’eau implique plusieurs étapes distinctes et demeure par conséquent un défi important. Pour l’instant, aucun système photocatalytique stable et efficace qui peut faciliter le fractionnement complet de l’eau n’a été développé, et la recherche de moyens pour une production verte renouvelable d’hydrogène se poursuit. Mais une solution créative à ce problème vient d’être développée.
La recherche a été dirigée par le professeur Lilac Amirav de la faculté de chimie Schulich du Technion, en collaboration avec des collègues de l’Université de Bologne.
Le groupe a utilisé des nanoparticules uniques, développées il y a plusieurs années par le professeur Amirav, comme système de photocatalyse. Ces particules nanométriques présentent la plus grande efficacité d’utilisation de la lumière et des charges négatives pour la production d’hydrogène. L’équipe vient de montrer également une nouvelle approche pour une utilisation efficace des charges positives et un moyen de dissocier la production d’hydrogène souhaitable de l’évolution problématique de l’oxygène.
Les chercheurs présentent des systèmes de photocatalyse remarquables pour la production d’hydrogène à partir d’eau, tout en transformant simultanément la benzylamine en benzaldéhyde. Le benzaldéhyde est produit en utilisant les charges positives, comme alternative à la production d’oxygène, il est utilisé par l’industrie alimentaire, la peinture, le plastique et les cosmétiques. Ce processus innovant utilise à la fois les charges négatives et positives, utilisant ainsi l’énergie solaire de manière plus efficace et plus efficace.
« Disons que nous avons transformé le processus de photocatalyse à la photosynthèse, c’est-à-dire une véritable conversion de l’énergie solaire en combustible », a déclaré le professeur Amirav. «De plus, l’efficacité de conversion énergétique de ce processus établit un nouveau record mondial dans le domaine de la photocatalyse à base de particules.»
Le professeur Amirav fait référence au fait que le système de photocatalyse effectue une véritable conversion de l’énergie solaire en liaisons chimiques stockables, avec un maximum de 4,2% d’efficacité de conversion d’énergie solaire-chimique. Ce chiffre établit un nouveau record du monde dans le domaine de la photocatalyse et double le record précédent. Plus important encore, le département américain de l’Énergie a défini 5 à 10% comme le «seuil de faisabilité pratique» pour générer de l’hydrogène par photocatalyse. Le succès des chercheurs dans la conversion de l’énergie solaire mène aux portes d’une conversion économiquement viable du solaire en hydrogène.
Publication dans Nano Energy, avril 2020