Vers la production d’hydrogène vert à partir de soleil et d’eau

La production de carburants solaires par des procédés photo-électrochimiques performants et peu coûteux est un objectif affiché dans le cadre de la transition écologique. Des chercheurs du LCBM (Université Grenoble Alpes/CNRS/CEA) et de la Friedrich Schiller University Jena en Allemagne relèvent ce défi pour la production d’hydrogène selon une démarche de photosynthèse artificielle, en concevant des photo-cathodes qui intègrent des catalyseurs de cobalt couplés à des colorants organiques photosensibles. Ils montrent, dans une étude récemment publiée dans ACS Catalysis, comment lever les verrous qui limitent l’exploitation de ces systèmes à grande échelle.

Les cellules photo-électrochimiques à colorant (DSPEC) offrent une solution très attrayante pour produire de l’hydrogène vert à partir d’eau et d’énergie solaire et font actuellement l’objet d’intenses efforts de recherche. Ces dispositifs bénéficient des avancées technologiques du photovoltaïque et utilisent des photo-sensibilisateurs et catalyseurs moléculaires immobilisés à la surface d’électrodes transparentes. Leur fonctionnement repose sur l’action combinée d’une photo-anode qui, sous irradiation, catalyse l’oxydation de l’eau en dioxygène O2, libérant quatre protons et quatre électrons qui se recombinent ensuite à la photocathode pour produire le di-hydrogène H2. Malheureusement, les photocathodes à colorant décrites à ce jour se situent bien en deçà des photo-anodes analogues en termes de densité de courant et de stabilité, limitant ainsi le développement de ces dispositifs.

Dans le cadre de ses travaux visant à développer des systèmes photo-électrochimiques bio-inspirés pour la production d’hydrogène qui s’affranchissent des métaux rares comme le platine, l’équipe grenobloise a récemment mis au point un nouveau couple colorant organique-catalyseur de cobalt, un élément abondant et peu couteux de la première série. La photocathode qui en résulte produit efficacement de l’hydrogène pendant 4 heures avec un rendement de 70%, ce qui la place parmi les exemples les plus performants à ce jour. Néanmoins, les courants enregistrés restent faibles et décroissent rapidement au cours du temps. Grâce à une collaboration de longue date avec la Friedrich Schiller University Jena, les chercheurs se sont appuyés sur une combinaison unique d’études spectroscopiques réalisées en conditions operando et post-operando pour identifier les paramètres limitant l’activité photo-électrocatalytique et la stabilité de ces photocathodes.

Bien que la formation de l’espèce catalytiquement active CoI ait été observée à la surface de l’électrode, le manque d’efficacité du transfert d’électrons du colorant photosensible vers le catalyseur et sa dégradation intrinsèquement associée ont été identifiés comme les principaux verrous limitant les performances de ce système photo-électrocatalytique.

Publiés dans la revue ACS Catalysis, ces travaux* ouvrent la voie vers une conception plus rationnelle de photocathodes moléculaires pour la production de carburants solaires et la mise au point de procédés durables pour la production d’hydrogène vert à partir de soleil et d’eau.

Référence / Spectroscopic investigations provide a rationale for the hydrogen-evolving activity of dye-sensitized photocathodes base on a cobalt tetraazamacrocyclic catalyst. Bold S., Massin J., Giannoudis E., Koepf M., Artero V., Dietzek B. et Chavarot-Kerlidou M. ACS Catalysis, 2021, 11, 3662-3678

Cette étude a été soutenue par l’IDEX UGA dans le cadre du projet ISP PhotoCATH2 labellisé en 2017 (financement de la thèse de S.Bold en cotutelle avec la Friedrich Schiller University Jena).

[ Illustration – Crédit / Photo by Sharon Pittaway on Unsplash ]