Des ingénieurs chimistes élaborent une feuille de route pour la recherche sur les « éponges » métalliques pour l’hydrogène propre

Les structures organiques métalliques (MOF) pourraient apporter une amélioration majeure de l’efficacité de la production photocatalytique d’hydrogène propre. Les ingénieurs chimistes ont rédigé un aperçu complet de l’état de leur domaine et un plan indiquant les domaines sur lesquels il doit se concentrer.

La production d’hydrogène propre reste une proposition gourmande en énergie et donc coûteuse, ce qui entrave la lutte contre le réchauffement climatique. Les structures organiques métalliques – en fait de minuscules « éponges » moléculaires – semblent prêtes à améliorer radicalement l’efficacité de la production photocatalytique d’hydrogène en raison de leurs propriétés structurelles uniques, mais la recherche sur le sujet est confrontée à des défis considérables. Un groupe d’ingénieurs chimistes a produit un aperçu de l’état du domaine avec une feuille de route indiquant les domaines dans lesquels les investigations devraient se concentrer pour obtenir le plus de chances de progresser.

Leur article de synthèse a été publié dans la revue Polyoxométalates le 4 août 2023.

L’hydrogène sera nécessaire pour une transition propre vers l’abandon des combustibles fossiles, que ce soit comme mécanisme de stockage d’énergie, comme intrant pour des combustibles propres ou comme combustible propre directement, ou encore pour la production d’acier et d’ammoniac décarbonisés. Mais l’hydrogène lui-même doit être produit de manière propre, à partir de la division de l’eau en ses composants.

Malheureusement, une telle séparation de l’eau est une consommation énergétique, ce qui fait augmenter le coût de la production d’hydrogène propre. Si l’hydrogène propre veut être compétitif par rapport à la production d’hydrogène sale – généralement via la séparation du méthane, un gaz à effet de serre – alors la séparation de l’eau doit permettre d’augmenter considérablement son efficacité.

Une option largement discutée pour améliorer l’efficacité provient de la division photocatalytique de l’eau à l’aide de structures organométalliques, ou MOF.

Premièrement, l’énergie de la lumière du soleil active le photocatalyseur, un matériau qui relance et accélère la réaction de division de l’eau. Imaginez ensuite une structure de type Lego, mais dans laquelle les briques Lego sont plutôt constituées d’amas métalliques (un grand groupe d’atomes métalliques) et les connecteurs (ou « agents de liaison ») entre elles sont des molécules organiques.

Ces structures forment des réseaux 3D poreux qui agissent un peu comme le font les éponges pour absorber les liquides dans leurs pores. Mais ces « éponges » métallo-organiques, ou plus exactement les structures organométalliques (MOF), sont si petites qu’elles fonctionnent au niveau moléculaire, permettant aux scientifiques de piéger, de stocker ou de séparer divers gaz et produits chimiques à l’intérieur.

Les MOF peuvent changer la donne pour la division photocatalytique de l’eau en raison de leurs propriétés uniques, notamment en ce qui concerne l’absorption de la lumière du soleil qui déclenche l’ensemble du processus de division photocatalytique de l’eau.

La recherche sur le rôle des MOF dans la division photocatalytique de l’eau a explosé ces dernières années et les auteurs ont donc estimé qu’il était temps de produire un article de synthèse scientifique sur le sujet. Les articles de revue scientifique sont comme des albums de musique « best-of » pour la science, rassemblant toutes les découvertes et idées à succès sur un sujet dans un aperçu complet. Ils servent de boussole à la communauté scientifique, résumant les recherches passées pour guider les explorations futures et aidant les chercheurs à s’appuyer sur les connaissances existantes plutôt que de réinventer la roue.

Le document de synthèse expose d’abord ici les principaux avantages des MOF. Certains MOF peuvent absorber la lumière du soleil et ensuite transférer l’énergie à d’autres matériaux ou l’utiliser directement pour piloter la réaction de division de l’eau.

De plus, l’efficacité d’un photocatalyseur dépend en grande partie de sa capacité à exciter les électrons pour franchir une « bande interdite » depuis le niveau de valence d’un atome jusqu’à son niveau de conduction, où ces électrons excités peuvent désormais circuler librement dans un courant électrique. Les MOF peuvent être conçus et modifiés pour optimiser leurs bandes interdites, les rendant ainsi plus adaptés à l’absorption de la lumière visible.

« Les MOF ont également une grande surface en raison de leur nature poreuse », a déclaré Huan Pang, l’un des auteurs de l’article de synthèse et ingénieur chimiste à l’École de chimie et de génie chimique de l’Université de Yangzhou. « Pensez à toute cette surface interne encapsulant les pores. »

Cette surface supplémentaire signifie que les MOF offrent un plus grand nombre d’emplacements où les réactions chimiques de division de l’eau peuvent avoir lieu, des emplacements appelés « sites actifs ». Plus de places pour ces réactions signifie une plus grande efficacité dans la division de l’eau.

Les MOF peuvent également servir de supports à d’autres matériaux photocatalytiques, garantissant ainsi leur stabilité et leur dispersion. Cela peut empêcher l’agglomération (l’agglutination) des particules photocatalytiques, ce qui peut réduire leur efficacité.

« Et l’un des plus grands avantages des MOF est leur grande polyvalence », a ajouté Yang An, co-auteur de l’article à l’Institut des matériaux innovants et de l’énergie de l’Université de Yangzhou. « Les ingénieurs chimistes peuvent personnaliser les structures MOF en sélectionnant différents métaux et liants organiques, permettant ainsi la conception de MOF spécifiquement adaptés à une division photocatalytique efficace de l’eau. »

Les auteurs ont également présenté certaines des pistes les plus prometteuses pour l’amélioration de l’utilisation des MOF pour la division photocatalytique de l’eau, en particulier le développement de MOF avec deux sites actifs – un pour les deux parties de la réaction chimique de division de l’eau – la « réaction de dégagement d’hydrogène ». et la « réaction de dégagement d’oxygène ».

Les sites actifs doubles peuvent fournir des sites plus actifs pour l’adsorption (le processus par lequel les molécules d’une substance s’attachent à la surface d’une autre substance) et l’activation des molécules d’eau. L’article propose que les deux sites actifs puissent être obtenus en introduisant deux types différents d’ions métalliques ou de lieurs organiques dans la structure MOF, ou en introduisant un co-catalyseur (un matériau utilisé conjointement avec un photocatalyseur pour améliorer ses performances, dans ce cas comme un métal noble) sur la surface du MOF.

Cependant, l’article note également que la conception et la synthèse de MOF avec deux sites actifs restent une tâche difficile. En effet, cela nécessite un contrôle précis de la structure et de la composition du MOF.

De plus, l’introduction de deux types différents d’ions métalliques ou de lieurs organiques dans la structure du MOF, ou l’introduction d’un co-catalyseur sur la surface du MOF, peut affecter la stabilité et l’activité du MOF. Faire progresser le développement de MOF avec des sites actifs doubles nécessite un examen attentif de facteurs tels que la taille et la forme des cristaux de MOF, concluent les auteurs, ainsi que la disposition des atomes entourant l’ion métallique central du MOF et les interactions entre le MOF et le co-catalyseur.

Enfin, l’article suggère que les performances des MOF avec deux sites actifs peuvent être affectées par des facteurs tels que la quantité de charge et la répartition du cocatalyseur, la surface et la porosité du MOF, ainsi que les conditions de réaction.