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Record de production d'hydrogène avec le Soleil et des boîtes quantiques

ActualitéClassé sous :chimie , nanoparticule , nanocristaux

Un groupe de chimistes de l'université de Rochester a mis au point un nouveau procédé capable de réaliser une sorte de photosynthèse artificielle. Utilisant des boîtes quantiques et un catalyseur au nickel, il est le premier de la sorte à pouvoir produire de l'hydrogène pendant plusieurs semaines.

Le Soleil est à la source de l’énergie exploitée par l’Homme sous forme d’hydrocarbures. Découvrirons-nous à temps le moyen d’imiter les plantes pour convertir directement son énergie ? © Soho-EIT Consortium, Esa, Nasa

Le monde est de plus en plus gourmand en énergie alors que les réserves de pétrole s'épuisent et que les contraintes environnementales nous poussent à limiter les rejets en CO2 pour réduire le réchauffement climatique. Depuis des années, les laboratoires se tournent donc vers des sources d'énergie alternatives. Pour remplacer l'essence de nos voitures, divers projets de véhicules électriques basés sur l'utilisation de l'hydrogène ont été étudiés. À l'aide d'une pile à combustible, il est en effet possible de produire de l'électricité pour alimenter des systèmes de toute taille, à condition bien sûr que l'on dispose d'une source d'énergie primaire pour la production de molécules de dihydrogène (H2) à partir de l'électrolyse de l'eau.

Si l'on pouvait réaliser de la photosynthèse artificielle ou produire de l'hydrogène en utilisant l'énergie du Soleil avec des systèmes performants et à bas coût, cela pourrait contribuer à changer l'histoire de l'humanité au XXIe siècle selon le scénario imaginé par Freeman Dyson dans son livre Le soleil, le génome et Internet. Un article publié récemment dans Science par des membres de l'université de Rochester constitue peut-être une des premières étapes en direction de ce rêve.

Vue d’artiste d’un nanocristal de séléniure de cadmium (centre de l’image), éclairé par la lumière. On voit deux électrons (petits points jaunes) issus de la vitamine C en cours de transfert vers le catalyseur au nickel (molécule avec grande sphère bleue). Au final du dihydrogène (H2, molécules diatomiques blanches) est produit. Les molécules d’eau sont représentées avec un atome d’oxygène en rouge. © Ted Pawlicki, université de Rochester

Des boîtes quantiques vitaminées pour de la photosynthèse

Sans surprise, la performance de Todd Krauss, Patrick Holland et Richard Eisenberg repose sur les nanotechnologies et plus précisément sur l'emploi de boîtes quantiques, ou nanocristaux, en séléniure de cadmium, un matériau semi-conducteur. Ce n'est pas la première fois que l'on utilise de tels objets pour capter l'énergie du Soleil, en l'occurrence pour produire de l'hydrogène. Mais, selon les chercheurs, les dispositifs similaires à celui qu'ils ont conçu ne fonctionnent que pendant quelques heures avant de se détériorer. Le leur arrive à produire de l'hydrogène en continu pendant plusieurs semaines !

En associant des boîtes quantiques, des sels de nickel et de la vitamine C (l'acide ascorbique), les chimistes obtiennent un rendement de conversion de la lumière du Soleil de 36 % (pour 100 photons absorbés, 36 molécules de dihydrogène sont produites) lorsque l'ensemble est plongé dans l'eau et un rendement de 66 % avec un mélange d'eau et d'éthanol. Malheureusement, la vitamine C, oxydée au cours de la réaction, est détruite et il faut en ajouter au bout d'un certain temps, ce qui limite le fonctionnement du dispositif. C'est pourquoi des recherches sont en cours pour se passer de la vitamine C mais également pour trouver un catalyseur encore moins cher que le nickel.

Enfin, toujours selon les chercheurs, leur dispositif pourrait être utilisé pour la production d'ammoniac selon le procédé Haber, un procédé de synthèse de l'ammoniac (NH3) par hydrogénation du diazote (N2) gazeux atmosphérique par le dihydrogène gazeux en présence d'un catalyseur. L'ammoniac est un composant de synthèse à la base de nombreux produits dans l'industrie.

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