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Résultat scientifique | Catalyse bioinspirée

Un système photo-catalytique pour produire de l'hydrogène en mode continu à partir de l’eau


Une collaboration entre les équipes Nanosciences (SCBM/DMTS) de l'institut Frédéric-Joliot et Lions (Nimbe) de l'institut Iramis permet de réaliser la photo-production continue d'hydrogène à partir de l'eau, grâce à la combinaison d'oxyde de titane, de nanotubes de carbone et de nanoparticules d'or dans une puce microfluidique. 

Publié le 30 juin 2023

L'hydrogène gazeux est considéré comme un vecteur d'énergie durable et une alternative prometteuse aux carburants à base d'hydrocarbures. Encore faut-il pouvoir le produire « proprement » :

  • Bien qu'abondant dans la nature, l'hydrogène (H) est généralement associé à d'autres éléments, sous forme solide ou liquide. La source principale est l'eau, dans laquelle il est lié chimiquement à de l'oxygène dont il faut le dissocier pour obtenir le gaz souhaité ;
  • L'énergie nécessaire pour y parvenir doit elle-même être durable / renouvelable.

En ce sens, la décomposition de l'eau en dioxygène (O2) et en dihydrogène (H2) par photocatalyse solaire constitue l'une des pistes les plus intéressantes. L'utilisation de l'oxyde de titane (TiO2), matériau semi-conducteur, a largement été explorée pour cette transformation. Mais TiO2 présente deux inconvénients :

  • La performance photocatalytique globale est réduite par un phénomène de recombinaison de charges ;
  • L'activation se fait à des longueurs d'onde électromagnétiques dans la région des UV, soit une fraction limitée du spectre de la lumière naturelle (environ 5 % du spectre solaire).

Des chercheurs de l'équipe Nanosciences (SCBM/DMTS) et du Lions (Nimbe/Iramis) du CEA, en collaboration avec la direction des énergies du CEA et l'École Polytechnique, ont combiné leurs savoir-faire pour optimiser la photodissociation de l'eau par le TiO2 et développer un dispositif photo-catalytique permettant la production continue de dihydrogène :

  • En associant le TiO2 a des nanotubes de carbone qui permettent la dissociation des charges et minimisent le phénomène de recombinaison ;
  • En utilisant des nanoparticules d'or pour permettre une « sensibilisation » du matériau TiO2 par la lumière visible ;
  • Le tout ayant pu être intégré dans une puce microfluidique grâce au réseau enchevêtré des nanotubes de carbone. Cette approche présente l'avantage d'un rapport surface/volume élevé, favorisant d'autant plus l'efficacité de la réaction.

Le TiO2, les nanotubes de carbone et les nanoparticules d'or travaillent en synergie. Leur association permet de multiplier la production d'hydrogène par 2,5 par rapport à la combinaison TiO2/nanotubes de carbone et par 20 par rapport au TiO2 seul.

Une stratégie équivalente pourrait être appliquée à des procédés de dépollution de l'environnement en mettant en œuvre des dégradations photocatalysées de polluants chimiques, par exemple. ​

 
Dispositif utilisé pour l'étude de la production de H2 dans des conditions microfluidiques© Farah et al., Nanomaterials 2023​

Contacts Institut des sciences du vi​​​vant Frédéric-Joliot :

Edmo​​​nd Gravel (edmond.gravel@cea.fr)

Eric Dor​​is (eric.doris@cea.fr)

​Contact Ins​​​titut Iramis

Florent Ma​​lloggi (florent.malloggi@cea.fr)



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