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

Une collaboration entre les instituts Joliot et Iramis montre qu'il est possible de réaliser la photo-production continue d’hydrogène à partir de l’eau, par la combinaison d’oxyde de titane, de nanotubes de carbone et de nanoparticules d’or dans une puce microfluidique.

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 » (i.e. sans émission de carbone issu de ressources fossiles) :

• 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 la molécule d’eau H₂O, où deux atomes d'hydrogène sont chimiquement liés à un atome d'oxygène, et qu'il faut donc dissocier pour obtenir le gaz souhaité;
• L’énergie nécessaire pour y parvenir (∆H° = 286 kJ/mole) doit elle-même être de nature durable/renouvelable (i.e. non carbonée).

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 la méthode 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 NIMBE/LIONS 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 à 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 simple 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.

Contacts CEA – Joliot : Edmond Gravel et Eric Doris (JOLIOT/SCBM)

Contact CEA – IRAMIS : Florent Mallogi (NIMBE/LIONS)

Référence :

« Continuous flow photocatalytic hydrogen production from water synergistically activated by TiO2, gold nanoparticles and carbon nanotubes »
J. Farah, F. Malloggi, F. Miserque, J. Kim, E. Gravel and E. Doris. | Nanomaterials 13 (2023) 1184.