Une équipe internationale de chercheurs a développé un supercristal bidimensionnel qui génère de l’hydrogène à partir de l’acide formique à l’aide de la lumière du soleil.
Dans un article publié dans la revue Catalyse naturelleles scientifiques expliquent que le but de leurs nanostructures plasmoniques est de concentrer l’énergie solaire, car elle est en grande partie diluée lorsqu’elle atteint la Terre.
« Là où les particules de haute énergie de la lumière solaire, les photons, rencontrent les structures atomiques, c’est là que commence notre recherche », a déclaré le chercheur principal Emiliano Cortés dans un communiqué aux médias. « Nous travaillons sur des solutions matérielles pour capter et utiliser l’énergie solaire plus efficacement. »
Selon Cortés, ces découvertes ont un grand potentiel car elles permettent de créer de nouvelles cellules solaires et photocatalyseurs. L’industrie place de grands espoirs dans ces derniers car ils peuvent rendre l’énergie lumineuse accessible pour les réactions chimiques, en contournant le besoin de produire de l’électricité.
Pour leur supercristal, Cortés et son collègue Matías Herran ont créé des particules de l’ordre de 10 à 200 nanomètres à partir d’un métal plasmonique, qui dans ce cas est de l’or.
« À cette échelle, un phénomène particulier se produit avec les métaux plasmoniques, qui comprennent également l’argent, le cuivre, l’aluminium et le magnésium : la lumière visible interagit très fortement avec les électrons du métal, les faisant osciller de manière résonnante », a expliqué Herran.
Cela signifie que les électrons se déplacent collectivement très rapidement d’un côté à l’autre de la nanoparticule, créant ainsi une sorte de mini-aimant. Les experts appellent cela un moment dipolaire.
« Pour la lumière incidente, il s’agit d’un grand changement car elle interagit ensuite beaucoup plus fortement avec la nanoparticule métallique », a expliqué Cortés. « De manière analogue, on peut considérer le processus comme une super lentille concentrant l’énergie. Nos nanomatériaux font cela, mais à l’échelle moléculaire.
Ce processus permet aux nanoparticules de capter davantage de lumière solaire et de la convertir en électrons de très haute énergie. Ceux-ci, à leur tour, contribuent à déclencher des réactions chimiques.
Organiser les particules d’or
Pour exploiter cette énergie, les chercheurs travaillant à l’Université Ludwig Maximilian de Munich se sont associés à des collègues de l’Université de Hambourg. Ils ont disposé les particules d’or de manière ordonnée sur une surface selon le principe d’auto-organisation. Les particules doivent être très proches mais sans se toucher pour maximiser les interactions lumière-matière. En collaboration avec une équipe de recherche de la Freie Universität Berlin, qui a étudié les propriétés optiques du matériau, les chercheurs du LMU ont découvert que l’absorption de la lumière augmentait plusieurs fois.
« Les réseaux de nanoparticules d’or concentrent la lumière entrante de manière extrêmement efficace, produisant des champs électriques très localisés et puissants, appelés points chauds », a déclaré Herrán. Celles-ci se forment entre les particules d’or, ce qui a donné à Cortés et Herrán l’idée de placer des nanoparticules de platine, un matériau catalyseur classique et puissant, directement dans les espaces intermédiaires.
« Le platine n’est pas le matériau de choix pour la photocatalyse car il absorbe mal la lumière du soleil. Cependant, nous pouvons le forcer dans des points chauds pour améliorer cette absorption autrement médiocre et alimenter les réactions chimiques avec l’énergie lumineuse. Dans notre cas, la réaction convertit l’acide formique en hydrogène », a souligné Herrán. Avec un taux de production d’hydrogène à partir de l’acide formique de 139 millimoles par heure et par gramme de catalyseur, le matériau photocatalytique détient actuellement le record mondial de production de H2 avec la lumière du soleil.
Les chercheurs ont noté qu’à l’heure actuelle, l’hydrogène est principalement produit à partir de combustibles fossiles, principalement du gaz naturel. Pour passer à une production plus durable, des équipes de recherche du monde entier travaillent sur des technologies utilisant des matières premières alternatives, notamment l’acide formique, l’ammoniac et l’eau. L’accent est également mis sur le développement de réacteurs photocatalytiques adaptés à une production à grande échelle.
« Des solutions matérielles intelligentes comme les nôtres constituent un élément important du succès de la technologie », ont déclaré les deux chercheurs. « En combinant des métaux plasmoniques et catalytiques, nous faisons progresser le développement de photocatalyseurs puissants pour les applications industrielles. Il s’agit d’une nouvelle façon d’utiliser la lumière du soleil et qui offre un potentiel pour d’autres réactions telles que la conversion du CO2 en substances utilisables.
