Une équipe de chercheurs de l’Université nationale de Singapour (NUS) a fait une découverte scientifique fortuite qui pourrait potentiellement révolutionner la façon dont l’eau est décomposée pour libérer de l’hydrogène gazeux, un élément crucial pour de nombreux procédés industriels.
L’équipe, dirigée par le professeur agrégé Xue Jun Min, le Dr Wang Xiaopeng et le Dr Vincent Lee Wee Siang du Département de science et d’ingénierie des matériaux du NUS College of Design and Engineering (NUS CDE), a découvert que la lumière peut déclencher une nouvelle mécanisme dans un matériau catalytique largement utilisé dans l’électrolyse de l’eau, où l’eau est décomposée en hydrogène et en oxygène. Le résultat est une méthode d’obtention d’hydrogène plus économe en énergie.
Cette percée a été réalisée en collaboration avec le Dr Xi Shibo de l’Institut de la durabilité pour les produits chimiques, l’énergie et l’environnement de l’Agence pour la science, la technologie et la recherche (A*STAR) ; le Dr Yu Zhigen de l’Institute of High Performance Computing sous A*STAR ; et le Dr Wang Hao du Département de génie mécanique du NUS CDE.
« Nous avons découvert que le centre redox de la réaction électrocatalytique est commuté entre le métal et l’oxygène, déclenché par la lumière », a déclaré Assoc. Professeur Xue. « Cela améliore considérablement l’efficacité de l’électrolyse de l’eau. »
La nouvelle découverte peut potentiellement ouvrir de nouvelles méthodes industrielles plus efficaces de production d’hydrogène et mettre cette source de carburant respectueuse de l’environnement à la portée d’un plus grand nombre de personnes et d’industries.
Assoc. Le professeur Xue et son équipe ont détaillé leur découverte dans un article de recherche publié dans la revue La nature le 26 octobre 2022.
La percée accidentelle
Dans des circonstances normales, Assoc. Le professeur Xue et son équipe n’ont peut-être pas été en mesure de tomber sur une découverte aussi révolutionnaire. Mais un déclenchement accidentel de l’alimentation des plafonniers de son laboratoire il y a près de trois ans leur a permis d’observer quelque chose que la communauté scientifique mondiale n’a pas encore réussi à faire.
À l’époque, les plafonniers d’Assoc. Le laboratoire de recherche du professeur Xue était généralement allumé pendant 24 heures. Une nuit en 2019, les lumières se sont éteintes en raison d’un problème de courant. Lorsque les chercheurs sont revenus le lendemain, ils ont constaté que les performances d’un matériau à base d’oxyhydroxyde de nickel dans l’expérience d’électrolyse de l’eau, qui s’était poursuivie dans l’obscurité, avaient chuté de manière drastique.
« Cette baisse de performance, personne ne l’a jamais remarquée auparavant, car personne n’a jamais fait l’expérience dans le noir », a déclaré Assoc. Professeur Xue. « De plus, la littérature dit qu’un tel matériau ne devrait pas être sensible à la lumière; la lumière ne devrait avoir aucun effet sur ses propriétés. »
Le mécanisme électrocatalytique dans l’électrolyse de l’eau est un sujet très étudié, tandis que le matériau à base de nickel est un matériau catalytique très courant. Par conséquent, afin d’établir qu’ils étaient sur le point de découvrir quelque chose de révolutionnaire, Assoc. Le professeur Xue et son équipe se sont lancés dans de nombreuses expériences répétées. Ils ont approfondi les mécanismes derrière un tel phénomène. Ils ont même répété l’expérience en dehors de Singapour pour s’assurer que leurs résultats étaient cohérents.
Trois ans plus tard, Assoc. Le professeur Xue et son équipe ont finalement pu partager publiquement leurs découvertes dans un article.
Prochaines étapes
Avec leurs découvertes, l’équipe travaille maintenant sur la conception d’une nouvelle façon d’améliorer les processus industriels pour générer de l’hydrogène. Assoc. Le professeur Xue suggère de rendre les cellules contenant de l’eau transparentes, afin d’introduire de la lumière dans le processus de séparation de l’eau.
« Cela devrait nécessiter moins d’énergie dans le processus d’électrolyse, et il devrait être beaucoup plus facile d’utiliser la lumière naturelle », a déclaré Assoc. Professeur Xue. « Plus d’hydrogène peut être produit en moins de temps, avec moins d’énergie consommée. »
Les entreprises alimentaires utilisent de l’hydrogène gazeux pour transformer les huiles et les graisses insaturées en graisses saturées, ce qui nous donne de la margarine et du beurre. L’hydrogène est également utilisé pour souder les métaux ensemble, car il peut générer une température élevée de 4 000 degrés Celsius. L’industrie pétrolière utilise le gaz pour éliminer la teneur en soufre du pétrole.
De plus, l’hydrogène peut potentiellement être utilisé comme carburant. Considéré depuis longtemps comme un carburant durable, l’hydrogène ne produit aucune émission car il brûle en réagissant avec l’oxygène – aucun allumage n’est nécessaire, ce qui en fait une source de carburant plus propre et plus verte. Il est également plus facile à stocker, ce qui le rend plus fiable que les batteries solaires.
Assoc. Le professeur Xue est heureux que les découvertes de son équipe de chercheurs puissent contribuer à la découverte scientifique. Il pense que la façon de développer la science n’est pas de continuer à trouver de nouvelles façons de faire ce qui a déjà été fait, mais de repousser constamment les limites.
« Ce n’est que par l’accumulation de nouvelles connaissances que nous pouvons améliorer progressivement la société », a déclaré Assoc. Professeur Xue.
Xiaopeng Wang et al, Rôle pivot de la conversion géométrique réversible du NiO6 dans l’évolution de l’oxygène, La nature (2022). DOI : 10.1038/s41586-022-05296-7