L’hydrogène est une pierre angulaire de la transition énergétique. Pour récolter l’hydrogène de l’énergie solaire, les chercheurs du LMU ont développé de nouvelles nanostructures hautes performances. Ce matériau établit un record mondial de production d’hydrogène vert grâce à l’énergie solaire.
Lorsqu'Emiliano Cortés part à la recherche de la lumière du soleil, il n'utilise pas de réflecteurs géants ni de fermes solaires à grande échelle. Au contraire, le professeur de physique expérimentale et de conversion d'énergie du LMU se consacre à l'étude de l'univers nanométrique. "Là où les particules à haute énergie (photons) de la lumière solaire rencontrent la structure atomique, c'est là que commencent nos recherches", a déclaré Cortez. "Nous travaillons sur des solutions matérielles pour capter et utiliser l'énergie solaire plus efficacement."
Ses découvertes ont un grand potentiel car elles pourraient permettre la création de nouveaux types de cellules solaires et de photocatalyseurs. L'industrie place de grands espoirs dans les photocatalyseurs, car ils peuvent exploiter l'énergie lumineuse pour des réactions chimiques, évitant ainsi le besoin de produire de l'électricité. Mais Cortes savait que l'exploitation de la lumière solaire représentait un défi majeur auquel les cellules solaires devaient également faire face : « La lumière du soleil est « diluée » lorsqu'elle atteint la Terre, de sorte que l'énergie par unité de surface est relativement faible. Les panneaux solaires compensent cela en couvrant une grande surface.
Cependant, Cortés aborde sans doute le problème sous un autre angle : avec son équipe du Nano-Institut de l'Université d'État de Bavière, financé entre autres par le pôle d'excellence pour la conversion électronique, Solar Technologies go Hybrid (une initiative du ministère des Sciences et des Arts du gouvernement de l'État de Bavière) et le Conseil européen de la recherche, il développe des nanostructures dites plasmoniques qui peuvent être utilisées pour concentrer l'énergie solaire.
Récemment, Cortes, en collaboration avec le Dr Matthias Herland de l'Institut Fritz-Haber de Berlin et des partenaires de la Freie Universität Berlin et de l'Université de Hambourg, a publié un article dans la revue Nature Catalysis décrivant un supercristal bidimensionnel capable de générer de l'hydrogène à partir de l'acide formique à l'aide de la lumière du soleil.
"En fait, ce matériau est si bon qu'il détient le record mondial de production d'hydrogène à partir de la lumière solaire", a noté Cortes. "C'est une bonne nouvelle à la fois pour la production de photocatalyseurs et pour l'hydrogène en tant que vecteur énergétique, car ils jouent un rôle important dans une transition énergétique réussie."
Pour leurs supercristaux, Cortés et Herrán ont utilisé deux métaux nanométriques différents, explique Herrán : "Nous avons d'abord fabriqué des particules de 10 à 200 nanomètres à partir d'un métal plasmonique - dans notre cas, l'or. À cette échelle, les métaux protiques (également l'argent, le cuivre, l'aluminium et le magnésium) subissent un phénomène particulier : la lumière visible interagit très fortement avec les électrons du métal, les faisant résonner."
Cela signifie que les électrons se déplacent collectivement rapidement d’un côté à l’autre de la nanoparticule, formant une sorte de petit aimant. Les experts appellent cela le moment dipolaire. "Il s'agit d'un changement important dans la lumière entrante, qui interagit donc plus fortement avec les nanoparticules métalliques", a expliqué Cortes. "De même, nous pouvons considérer ce processus comme une superlentille concentrant l'énergie. Nos nanomatériaux le font à l'échelle moléculaire. Cela permet aux nanoparticules de capter plus de lumière solaire et de la convertir en électrons de haute énergie. Ces électrons, à leur tour, contribuent à conduire des réactions chimiques."
Mais comment exploiter cette énergie ? À cette fin, les scientifiques du LMU ont collaboré avec des chercheurs de l’Université de Hambourg. Ils ont disposé les particules d’or à la surface de manière ordonnée, selon le principe d’auto-organisation. Les particules doivent être très proches, mais sans se toucher, pour maximiser l’interaction lumière-matière.
Des chercheurs de la TU Berlin, en collaboration avec un groupe de recherche de la Freie Universität Berlin, ont étudié les propriétés optiques de ce matériau et ont découvert que l'absorption de la lumière augmentait plusieurs fois. Des réseaux de nanoparticules d'or concentrent la lumière entrante de manière extrêmement efficace, créant ainsi des champs électriques puissants très localisés appelés points chauds.
Ces points chauds se sont formés entre les particules d'or, ce qui a donné à Cortes et Elam l'idée de placer des nanoparticules de platine, un matériau catalyseur puissant classique, dans les espaces entre les points chauds. L'équipe de recherche de Hambourg a récidivé.
"Le platine n'est pas le matériau de choix pour la photocatalyse car il absorbe très mal la lumière du soleil. Cependant, nous pouvons forcer le platine dans les points chauds pour améliorer cette absorption autrement médiocre et utiliser l'énergie lumineuse pour favoriser une réaction chimique. Dans notre cas, la réaction convertit l'acide formique en hydrogène", explique Herrán.
Ce matériau photocatalytique produit 139 millimoles d'hydrogène à partir d'acide formique par heure et par gramme de catalyseur et détient actuellement le record mondial de production d'hydrogène grâce à la lumière du soleil.
Actuellement, l’hydrogène est produit principalement à partir de combustibles fossiles, principalement du gaz naturel. Dans le but de passer à des méthodes de production plus durables, des équipes de recherche du monde entier étudient des technologies utilisant des matières premières alternatives, notamment l'acide formique, l'ammoniac et l'eau. Les recherches portent également sur le développement de réacteurs photocatalytiques adaptés à une production à grande échelle. "Les solutions matérielles intelligentes comme les nôtres constituent une pierre angulaire importante du succès technologique", mentionnent les deux chercheurs. "En combinant des métaux plasmoniques et catalytiques, nous faisons progresser le développement de photocatalyseurs puissants pour des applications industrielles. Il s'agit d'une nouvelle façon d'exploiter la lumière du soleil, offrant le potentiel d'autres réactions telles que la conversion du dioxyde de carbone en substances utilisables."
Les deux chercheurs ont déposé une demande de brevet pour leur développement de matériaux.
Compilé à partir de /ScitechDaily