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Fundamentals Of Photocatalytic Splitting of Water

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Hydrogène propre: des connaissances plus approfondies pour de meilleurs catalyseurs

Pour concevoir des catalyseurs efficaces permettant de produire de l’hydrogène solaire par fractionnement photoélectrochimique de l’eau, nous devons d’abord mieux comprendre ce qu’il se passe au niveau moléculaire lors de la réaction. C’est ce à quoi s’est attelée une équipe de chercheurs financés par l’UE.

Énergie

La capacité du dioxyde de titane à séparer l’eau en hydrogène et en oxygène à l’aide de la lumière du soleil a été découverte il y a près de 50 ans. Cette percée pourrait être la clé de l’hydrogène «vert», l’un des vecteurs énergétiques les plus prometteurs à surveiller. «Pour produire de l’hydrogène à partir de l’eau, nous n’avons besoin que d’eau, de la lumière du soleil et d’un catalyseur — le catalyseur pouvant être, par définition, réutilisé. Lorsque l’hydrogène est ensuite utilisé pour produire de l’énergie, seule de l’eau est libérée. Cela fait de l’hydrogène un vecteur énergétique très propre», explique Ellen Backus, professeure de chimie physique à l’université de Vienne. Le dioxyde de titane est toujours considéré comme un photocatalyseur de référence et a fait l’objet de nombreuses recherches pour améliorer l’efficacité du processus. Cependant, un demi‑siècle après sa découverte, nous avons encore une connaissance très limitée de ce qui se passe au niveau moléculaire lors de la séparation photocatalytique de l’eau. Une équipe de chercheurs dirigée par Ellen Backus a pris des mesures décisives pour percer ce mystère. Le projet FOPS-water (Fundamentals Of Photocatalytic Splitting of Water), soutenu par le Conseil européen de la recherche (CER), a fourni de nouvelles informations sur le mécanisme moléculaire à l’origine du processus.

Une approche ascendante

L’équipe du projet est parvenue à mieux comprendre comment l’eau se lie au photocatalyseur et comment l’acidité affecte ce qui se passe à l’interface entre les deux. Les chercheurs ont analysé l’orientation des molécules d’eau par rapport au photocatalyseur et la force de leur interaction, tant entre elles qu’avec le photocatalyseur lui‑même. Il s’agit d’un progrès significatif dans l’amélioration de notre compréhension du mécanisme de séparation de l’eau par photocatalyse, ce qui pourrait aider les chercheurs à renforcer l’efficacité du photocatalyseur. «La compréhension du processus sera une étape importante dans la conception de photocatalyseurs moins onéreux et plus efficaces. Actuellement, l’optimisation des catalyseurs se fait souvent par essais et erreurs. Nos résultats pourraient permettre une approche plus ascendante», remarque Ellen Backus. Bien que des efforts aient déjà été déployés pour élucider la réaction de séparation de l’eau à l’interface de l’électrode photoélectrochimique, ces études ont soit adopté une approche théorique, soit utilisé des conditions extrêmes, telles que de basses températures ou l’ultravide (permettant la «visualisation» expérimentale des molécules), qui ne reflètent pas les conditions de travail normales des dispositifs commercialement applicables. FOPS-water a permis de combler cette lacune, note Ellen Backus: «Nous avons progressé dans la compréhension de ce processus au niveau moléculaire dans des environnements proches des conditions réelles.»

Une image globale au niveau micro

L’équipe a également étudié ce qu’il se passe après avoir mis le photocatalyseur dans un état d’excitation — en d’autres termes, après avoir élevé son niveau d’énergie. Ellen Backus explique: «L’excitation consiste essentiellement à imiter la lumière du soleil. Le principal résultat de ces travaux est que la photoexcitation modifie la charge de surface à laquelle les molécules d’eau adaptent leur orientation.» Outre ces aspects, l’équipe a examiné à quelle vitesse l’énergie peut être dissipée au cours du processus, et sur quelle échelle de temps se produit la réaction. Elle a également décomposé la réaction en ses différentes étapes. S’appuyant sur les connaissances acquises dans le cadre du projet FOPS-water, l’équipe étudie actuellement l’interface entre l’eau et d’autres photocatalyseurs. L’objectif est d’obtenir une image plus globale du fonctionnement des catalyseurs en vue d’identifier les paramètres pertinents pour leur conception. Ces avancées pourraient permettre de se rapprocher des catalyseurs adaptés à la production durable d’hydrogène à grande échelle, nécessaire pour soutenir son utilisation dans des applications telles que les voitures particulières.

Mots‑clés

FOPS-water, hydrogène, séparation de l’eau, catalyseur, photocatalyseur, niveau moléculaire, dioxyde de titane, interface

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