Génération d’hydrogène vert par rayonnement solaire à partir de nanomatériaux


Génération d'hydrogène vert par rayonnement solaire à partir de nanomatériaux

Vue à travers une fenêtre à l’intérieur d’un réacteur à ultra- dans lequel des nanotubes de TiO2 sont décorés de nanoparticules de CoO. Nous voyons la flamme (plasma créé ablation laser) que le CoO pulvérise pour provoquer la formation de ses nanoparticules. Crédit photo: Christian Fleury (INRS)

Une équipe de recherche de l’Institut National de la Recherche Scientifique (INRS) s’est associée à des chercheurs français de l’Institut de Chimie et des Procédés pour l’Énergie, l’Environnement et la Santé (ICPEES), laboratoire commun de recherche de l’Université CNRS de Strasbourg, pour ouvrir la voie à la production de l’hydrogène vert. Cette équipe internationale a développé de nouvelles électrodes nanostructurées sensibles à la lumière pour la lumière du soleil. Les résultats de leurs recherches ont été publiés dans le numéro de novembre 2020 du Journal of Matériaux d’énergie et cellules solaires.

Un vecteur de transition énergétique

L’hydrogène est considéré par plusieurs pays de l’Organisation de coopération et de développement économiques (OCDE) comme un acteur clé dans la transition vers des industries et des secteurs décarbonés. Selon le professeur de l’INRS My Ali El Khakani, le Québec pourrait se positionner stratégiquement dans ce secteur énergétique du futur. « Grâce à des nanomatériaux à haute performance, nous pouvons améliorer l’efficacité de la dissociation de l’eau pour la production d’hydrogène. Ce carburant » propre « devient de plus en plus important pour la décarbonisation des poids lourds et des transports publics. Par exemple, les bus qui utilisent l’hydrogène comme hydrogène sont déjà disponibles dans plusieurs pays européens et en service en Chine. Ces bus émettent de l’eau au lieu de gaz à effet de serre », a ajouté le physicien et spécialiste des nanomatériaux.

La division des molécules d’eau en oxygène et hydrogène a longtemps été réalisée par électrolyse. Cependant, les électrolyseurs industriels sont très énergivores et nécessitent des investissements importants. Les chercheurs de l’INRS et de l’ICPEES se sont davantage inspirés d’un mécanisme naturel: la photosynthèse. En fait, ils ont créé des électrodes spécialement conçues et structurées qui divisent les molécules d’eau sous la lumière du soleil. Il s’agit d’un processus connu sous le nom de photocatalyse.

Génération d'hydrogène vert par rayonnement solaire à partir de nanomatériaux

Image au microscope électronique (vue de dessus) d’un réseau de nanotubes de TiO2 (comme les cellules en nid d’abeille d’une ruche) décorées de nanoparticules d’oxyde de cobalt (CoO) (NP). Crédit: INRS

Défis dans la conception et la fabrication des électrodes nanostructurées

Pour maximiser l’utilisation de l’énergie solaire, les équipes de recherche ont sélectionné un matériau très courant et chimiquement stable: le dioxyde de titane (TiO)2). TiO2 est un semi-conducteur connu pour sa sensibilité à la lumière UV et ne représente que 5% du rayonnement solaire. Les chercheurs ont utilisé leur expertise pour changer d’abord la composition atomique du TiO2 et élargir leur sensibilité à la lumière pour inclure la lumière visible. Ils ont pu fabriquer des électrodes capables d’absorber jusqu’à 50% de la lumière émise par le soleil. Une victoire claire dès le début!

Les chercheurs ont ensuite procédé à la nanostructuration de l’électrode pour former un réseau de TiO2 Nanotubes qui ressemblent à une structure en forme de ruche. Cette méthode multiplie la efficace de l’électrode par un facteur de 100 000 ou plus. « La nanostructuration maximise le rapport entre la surface et le volume d’un matériau. Par exemple TiO2 Les nanostructures peuvent offrir une surface allant jusqu’à 50 m2 par gramme, c’est la surface d’un appartement de taille moyenne! »A fait remarquer le professeur El Khakani.

La dernière étape dans l’élaboration des électrodes est leur « nanodécoration ». Ce processus consiste en le dépôt de nanoparticules de catalyseur sur le réseau autrement infini de TiO2 Nanotubes pour augmenter leur efficacité dans la production d’hydrogène. Pour réaliser cette étape de nanodécoration, les chercheurs ont utilisé la technique de dépôt par ablation laser, un domaine dans lequel le professeur El Khakani a développé un niveau d’expertise unique au cours des 25 dernières années. L’enjeu n’était pas seulement de contrôler la taille, la dispersion et l’ancrage des nanoparticules de catalyseur sur le TiO2 Matrice de nanotubes, mais aussi des alternatives aux coûteux catalyseurs classiques à l’iridium et au platine.

Cette recherche a identifié l’oxyde de cobalt (CoO), un matériau assez disponible dans le sous-sol québécois, comme des cocatalyseurs efficaces pour diviser les molécules d’eau. Une comparaison des deux matériaux a montré que les nanoparticules CoO permettaient une multiplication par dix de l’efficacité photocatalytique de ces nouvelles électrodes nano-décorées sous lumière visible par rapport aux nanotubes nus.


Tubes de réglage pour de meilleurs convertisseurs catalytiques


Plus d’information:
Thomas Favet et al., Etude comparative des effets photocatalytiques des nanoparticules CoO et NiO déposées par laser pulsé sur des nanotubes de TiO2 pour la division photoélectrochimique de l’eau, Matériaux d’énergie solaire et cellules solaires (2020). DOI: 10.1016 / j.solmat.2020.110703

Fourni par l’Institut national de la recherche scientifique

Citation: Generation of green hydrogen by solar radiation from nanomaterials (2021, 21 janvier), consulté le 21 janvier 2021 sur https://phys.org/news/2021-01-green-hydrogen-exposure-nanomaterials-sunlight.html

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