Face à la crise énergétique et climatique mondiale actuelle, l’importance de trouver des carburants durables et propres n’a jamais été aussi cruciale. L’hydrogène se pose comme un candidat prometteur dans ce contexte, bien que sa production industrielle actuelle soit associée à une empreinte CO2 conséquente.
Une équipe de chercheurs, dirigée par le Professeur Dominik Eder de l’Institut de Chimie des Matériaux (TU Wien), s’est penchée sur le développement de méthodes écologiques de production d’hydrogène, notamment par photocatalyse. Leurs résultats ont récemment été publiés dans la revue scientifique « Advanced Energy Materials ».
Photocatalyseurs innovants
Dans le processus de production de l’hydrogène vert par photocatalyse, le catalyseur est d’une importance capitale. Les photocatalyseurs, contrairement à leurs homologues industriels, exploitent l’énergie de la lumière pour faciliter la dissociation de l’eau à température ambiante et sous pressions normales.
Parmi les candidats les plus prometteurs figurent les matériaux organo-métalliques, appelés MOFs (Metal-Organic Frameworks). Ces derniers sont composés d’unités inorganiques moléculaires liées entre elles par des molécules organiques, formant ainsi des réseaux 3D hautement poreux, dotés d’une grande surface spécifique et de propriétés exceptionnelles de séparation de charges.
Cependant, la majorité des MOFs n’est active qu’en présence de lumière UV. Pour les rendre capables d’absorber la lumière visible, les chercheurs modifient les composés organiques. Néanmoins, ces modifications affectent négativement la mobilité des électrons.
« Bien que les MOFs soient excellents pour séparer les porteurs de charges aux interfaces organo-inorganiques, leur extraction efficace pour un usage catalytique reste un défi », explique Dominik Eder.
Les MOFs à structure en couches
Récemment, les MOFs à structure en couches ont attiré l’attention pour une utilisation dans des applications optoélectroniques, car ils présentent des propriétés d’extraction de charges nettement améliorées. Selon Pablo Ayala, auteur principal de l’étude, on peut imaginer ces structures en couches comme une gaufrette, où la partie inorganique serait la gaufrette et le ligand organique serait le chocolat qui les maintient ensemble. « Il suffit de rendre la partie gaufrette conductrice. »
Mais contrairement aux MOFs en 3D, un MOF en couches est généralement non poreux, ce qui réduit la zone active pour la catalyse à la surface externe des particules. « Nous devions donc trouver un moyen de rendre ces particules aussi petites que possible », explique Eder.
L’équipe a alors développé une nouvelle méthode de synthèse pour produire les plus petites structures cristallines possibles sans défauts. Ces MOFs novateurs, basés sur le titane et ayant une forme cubique de seulement quelques nanomètres, ont déjà permis d’atteindre des records de production d’hydrogène par photocatalyse sous l’influence de la lumière visible.
Les défis de la dissociation de l’eau
En collaboration avec des universités locales et internationales, l’équipe du Professeur Eder a réussi à produire des structures cristallines, même minuscules, sans défauts. Grâce à des simulations informatiques réalisées à l’Institut de technologie d’Israël, l’équipe a pu déterminer le mécanisme de réaction sous-jacent et démontrer deux aspects cruciaux :
d’une part, la nature en couches du MOF est effectivement clé pour une séparation et une extraction efficaces des charges, et d’autre part, les défauts de ligand manquant agissent comme des pièges à charges indésirables qui doivent être évités autant que possible pour améliorer les performances photocatalytiques du matériau.
En synthèse
L’équipe de recherche travaille actuellement à la conception de nouveaux MOFs en couches et explore leurs différentes applications énergétiques. Cette étude a permis de faire un pas significatif vers la production d’hydrogène plus durable et respectueuse de l’environnement, en utilisant la photocatalyse pour déclencher la dissociation de l’eau en hydrogène et en oxygène.
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce que la photocatalyse ?
La photocatalyse est un processus qui utilise la lumière pour accélérer une réaction chimique. Elle est utilisée dans divers domaines, de la purification de l’air à la production d’énergie.
Qu’est-ce qu’un MOF ?
Un MOF, ou Metal-Organic Framework, est un matériau composé d’ions métalliques liés à des molécules organiques. Ils sont appréciés pour leur structure poreuse qui peut être adaptée à différentes applications.
Quels sont les avantages de l’hydrogène vert ?
L’hydrogène vert, produit sans émissions de CO2, est un vecteur énergétique propre qui peut être utilisé dans diverses applications, notamment le transport et le stockage d’énergie.
Légende illustration : Dominik Eder (à gauche) et Pablo Ayala (à droite), premier auteur de l’étude. Credit TU Wien
Article : The Emergence of 2D Building Units in Metal-Organic Frameworks for Photocatalytic Hydrogen Evolution: A Case Study with COK-47. DOI 10.1002/aenm.202300961
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