Des chercheurs de l’Université Rice ont mis au point un nanomatériau activé par la lumière clé pour l’économie de l’hydrogène. En utilisant uniquement des matières premières peu coûteuses, une équipe du laboratoire Rice de nanophotonique, de Syzygy Plasmonics Inc. et du centre Andlinger pour l’énergie et l’environnement de l’Université de Princeton a créé un catalyseur évolutif qui n’a besoin que de la puissance de la lumière pour convertir l’ammoniac en hydrogène à combustion propre.
La recherche est publiée en ligne aujourd’hui dans la revue La science.
La recherche fait suite à des investissements du gouvernement et de l’industrie visant à créer des infrastructures et des marchés pour l’ammoniac liquide sans carbone qui ne contribuera pas au réchauffement à effet de serre. L’ammoniac liquide est facile à transporter et contient beaucoup d’énergie, avec un atome d’azote et trois atomes d’hydrogène par molécule. Le nouveau catalyseur décompose ces molécules en hydrogène gazeux, un carburant à combustion propre, et en azote gazeux, le plus grand composant de l’atmosphère terrestre. Et contrairement aux catalyseurs traditionnels, il ne nécessite pas de chaleur. Au lieu de cela, il récupère l’énergie de la lumière, soit la lumière du soleil, soit des LED énergivores.
Le rythme des réactions chimiques augmente généralement avec la température, et les fabricants de produits chimiques en ont profité pendant plus d’un siècle en appliquant de la chaleur à l’échelle industrielle. La combustion de combustibles fossiles pour élever la température de grands réacteurs de centaines ou de milliers de degrés entraîne une énorme empreinte carbone. Les fabricants de produits chimiques dépensent également des milliards de dollars chaque année en thermocatalyseurs, des matériaux qui ne réagissent pas mais accélèrent davantage les réactions sous un chauffage intense.
« Les métaux de transition comme le fer sont généralement de mauvais thermocatalyseurs », a déclaré la co-auteure de l’étude, Naomi Halas de Rice. « Ce travail montre qu’ils peuvent être des photocatalyseurs plasmoniques efficaces. Il démontre également que la photocatalyse peut être efficacement réalisée avec des sources de photons LED peu coûteuses. »
« Cette découverte ouvre la voie à un hydrogène durable et à faible coût qui pourrait être produit localement plutôt que dans des usines centralisées massives », a déclaré Peter Nordlander, également co-auteur de Rice.
Les meilleurs thermocatalyseurs sont fabriqués à partir de platine et de métaux précieux apparentés comme le palladium, le rhodium et le ruthénium. Halas et Nordlander ont passé des années à développer des nanoparticules métalliques activées par la lumière (plasmoniques). Les meilleurs d’entre eux sont également généralement fabriqués avec des métaux précieux comme l’argent et l’or.
Suite à leur découverte en 2011 de particules plasmoniques qui émettent des électrons de courte durée et à haute énergie appelés « porteurs chauds », ils ont découvert en 2016 que les générateurs de porteurs chauds pouvaient être mariés à des particules catalytiques pour produire des « antennes-réacteurs » hybrides, où l’on une partie récoltait l’énergie de la lumière et l’autre partie utilisait l’énergie pour provoquer des réactions chimiques avec une précision chirurgicale.
Halas, Nordlander, leurs étudiants et collaborateurs ont travaillé pendant des années pour trouver des alternatives en métaux non précieux pour les moitiés de récupération d’énergie et d’accélération de réaction des réacteurs d’antenne. La nouvelle étude est l’aboutissement de ce travail. Dans ce document, Halas, Nordlander, l’ancien élève de Rice Hossein Robatjazi, l’ingénieur et physico-chimiste de Princeton Emily Carter et d’autres montrent que les particules d’antenne-réacteur en cuivre et en fer sont très efficaces pour convertir l’ammoniac. La pièce de cuivre récupérant l’énergie des particules capte l’énergie de la lumière visible.
« En l’absence de lumière, le catalyseur cuivre-fer présentait une réactivité environ 300 fois inférieure à celle des catalyseurs cuivre-ruthénium, ce qui n’est pas surprenant étant donné que le ruthénium est un meilleur thermocatalyseur pour cette réaction », a déclaré Robatjazi, un Ph.D. ancien élève du groupe de recherche de Halas qui est maintenant scientifique en chef chez Syzygy Plasmonics, basé à Houston. « Sous illumination, le cuivre-fer a montré des efficacités et des réactivités similaires et comparables à celles du cuivre-ruthénium.
Syzygy a autorisé la technologie d’antenne-réacteur de Rice, et l’étude comprenait des tests à grande échelle du catalyseur dans les réacteurs à LED disponibles dans le commerce de la société. Lors d’essais en laboratoire à Rice, les catalyseurs cuivre-fer avaient été illuminés par des lasers. Les tests Syzygy ont montré que les catalyseurs conservaient leur efficacité sous éclairage LED et à une échelle 500 fois plus grande que la configuration en laboratoire.
« Il s’agit du premier rapport dans la littérature scientifique à montrer que la photocatalyse avec des LED peut produire des quantités d’hydrogène à l’échelle du gramme à partir d’ammoniac », a déclaré Halas. « Cela ouvre la porte au remplacement complet des métaux précieux dans la photocatalyse plasmonique. »
« Compte tenu de leur potentiel de réduction significative des émissions de carbone du secteur chimique, les photocatalyseurs à antenne-réacteur plasmonique méritent une étude plus approfondie », a ajouté Carter. « Ces résultats sont une grande source de motivation. Ils suggèrent qu’il est probable que d’autres combinaisons de métaux abondants pourraient être utilisées comme catalyseurs rentables pour un large éventail de réactions chimiques. »
Plus d’information:
Yigao Yuan et al, photocatalyseur abondant sur Terre pour la génération de H2 à partir de NH3 avec éclairage par diode électroluminescente, La science (2022). DOI : 10.1126/science.abn5636. www.science.org/doi/10.1126/science.abn5636