FIL INFO – Une technique alternative efficace et peu onéreuse pour fabriquer du carburant hydrogène à partir de nouveaux capteurs de lumière a été développée par des chercheurs grenoblois. Leurs travaux, qui optimisent le processus de la photosynthèse artificielle, ont été publiés dans Energy & Environmental Science, le 10 avril dernier.
Utiliser l’énergie de la lumière, comme les plantes lors de la photosynthèse, pour élaborer des molécules complexes à partir de molécules simples que sont l’eau (H2O) et le dioxyde de carbone (CO2), l’homme sait déjà le faire depuis plusieurs années. Mais non sans certains inconvénients. En effet, le procédé mimétique de la photosynthèse artificielle en solution nécessite l’utilisation de métaux coûteux ou toxiques pour capter l’énergie du soleil.
L’hydrogène, une énergie verte. DR
Une page se tourne ? Une chose est sûre, une équipe de chercheurs grenoblois* a développé une alternative efficace avec de nouveaux capteurs de lumière. Des nanocristaux semi-conducteurs (quantum dots), à base de cuivre, d’indium et de soufre qui ont permis aux scientifiques de produire du carburant hydrogène hautement énergétique (dihydrogène, H2). Leurs travaux ont été publiés** dans Energy & Environmental Science, le 10 avril 2018.
Des capteurs de lumière moins chers, moins toxiques et recyclables !
L’enjeu en vaut vraiment la chandelle, tant il est économiquement intéressant d’utiliser comme matière première H2O et CO2, des molécules stables et abondantes de l’environnement, pour fabriquer du carburant hydrogène. De surcroît, en utilisant l’énergie gratuite du soleil ! Autre application possible ? Élaborer par ce procédé des produits chimiques d’intérêt pour l’industrie.
Certes les nouveaux capteurs de lumière [aussi nommés chromophores ou photosensibilisateurs, ndlr] sont toujours de nature métallique mais bien moins onéreux que les métaux nobles voire rares comme le ruthénium ou l’iridium jusqu’ici utilisés. Et moins toxiques que l’option fondée sur l’emploi de matériaux semi-conducteurs inorganiques contenant le dangereux métal cadmium. Autre avantage ? Cette nouvelle génération de chromophores peut en outre être recyclée plusieurs fois sans perte notable d’activité.
Des nanocristaux pour une production plus performante d’hydrogène
Quid de leur structure ? Les nouveaux capteurs de lumière sont constitués de nanocristaux semi-conducteurs (ou quantum dots) inorganiques munis d’un cœur de sulfure de cuivre et d’indium, protégé d’une coquille de zinc et de soufre. Ils fonctionnent associés à des catalyseurs moléculaires à base de cobalt.
Mécanisme de la photosynthèse artificielle en solution obtenue au moyen du système « hybride » composé du chromophore en nanocristaux semi-conducteurs inorganiques à cœur de sulfure de cuivre et d’indium, protégé d’une coquille de zinc et de soufre (à gauche en orange, jaune et vert) et d’un catalyseur moléculaire (à droite, en bleu, blanc et vert). © Damien Jouvenot, Département de chimie moléculaire (CNRS-Université Grenoble Alpes).
En fédérant leurs expertises en ingénierie des matériaux semi-conducteurs et en photocatalyse, les scientifiques de la Silicon Valley à la française ont ainsi créé un système « hybride » qui s’avère particulièrement efficace pour produire du dihydrogène. À tel point qu’en présence d’un excès de vitamine C qui fournit les électrons au système, il montre une activité catalytique [un accroissement du taux de conversion, ndlr] remarquable dans l’eau. La meilleure obtenue à ce jour avec des quantum dots sans cadmium.
L’optimisation s’explique par la combinaison des excellentes propriétés d’absorption de la lumière visible et la stabilité des semi-conducteurs inorganiques avec l’efficacité des catalyseurs moléculaires. De quoi promettre un bel avenir à cette alternative plus écologique !
Véronique Magnin
* Chercheurs du Centre national de la recherche scientifique (CNRS), du Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA) et de l’université Grenoble Alpes (UGA)* affectés au département de chimie moléculaire (CNRS-Université Grenoble Alpes) et au laboratoire Systèmes moléculaires et nanomatériaux pour l’énergie et la santé (SyMMES) (CNRS/CEA/Université Grenoble Alpes). Ces travaux ont été développés au travers d’un projet collaboratif financé par le réseau des laboratoires d’excellence Labex Arcane de Grenoble.
** Cadmium-Free CuInS2/ZnS Quantum Dots as Efficient and Robust Photosensitizers in combination with a Molecular Catalyst for Visible Light-Driven H2 Production in Water. M. Sandroni, R. Gueret, K. D. Wegner, P. Reiss, J. Fortage, D. Aldakov, and M.-N. Collomb. Energy&Environmental Science, le 10 avril 2018.
