Obtention d'hydrogène à partir d'éthanol et de lumière

Des chercheurs de l'Université Polytechnique de Catalogne (UPC) ont réussi à produire de l'hydrogène à partir d'éthanol et de lumière solaire. Les résultats de l'étude qui a été menée conjointement avec les universités d'Aberdeen, Auckland (Auckland (en anglais [ˈɔːklənd]), située dans l'île du Nord en...) et Edimbourg, ont été publiés dans la revue Nature Chemistry au mois (Le mois (Du lat. mensis «mois», et anciennement au plur. «menstrues») est une période de temps...) de mai.

De l'énergie renouvelable pour produire de l'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.)

L'hydrogène (utilisé sous forme de dihydrogène (Le dihydrogène est la forme moléculaire de l'élément hydrogène, qui existe...) H2) permet de générer de l'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la...) via une pile à combustible (Une pile à combustible est une pile où la fabrication de l'électricité se fait...). Mais le dihydrogène n'existe pas en l'état dans la nature et il est nécessaire de le produire, ce qui suppose un coût énergétique. L'obtention de ce gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...) à partir d'énergies renouvelables est donc une piste prometteuse pour améliorer la compétitivité de l'électricité produite par pile à combustible (Un combustible est une matière qui, en présence d'oxygène et d'énergie, peut se...) et également pallier au problème du stockage de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...). Une des voies envisagées est l'utilisation de l'énergie solaire (L'énergie solaire est l'énergie que dispense le soleil par son rayonnement, directement ou de...): il faut alors mettre en oeuvre un photocatalyseur, constitué d'un semi-conducteur (Un semi-conducteur est un matériau qui a les caractéristiques électriques d'un...) et d'une couche de métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des...) noble sous forme de nanoparticules. Actuellement, un des semi-conducteurs les plus utilisés est le dioxyde de titane (Le dioxyde de titane est une substance composée d'oxygène et de titane.).

De l'éthanol à la place de l'eau

Jusqu'ici, la synthèse de dihydrogène à partir de l'énergie solaire se basait sur l'utilisation d'eau comme matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) première. Cependant, les rendements obtenus sont très bas et les matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) utilisés pour le photocatalyseur sont très coûteux. Un des intérêts de l'étude qui a été menée réside dans le fait d'utiliser un photocatalyseur qui fonctionne non pas avec de l'eau mais de l'éthanol, une ressource renouvelable que l'on peut obtenir à partir de résidus forestiers et agricoles: 100 grammes de cellulose (La cellulose est un glucide constitué d'une chaîne linéaire de molécules de...) permettent d'obtenir 50 grammes d'éthanol.

Un photocatalyseur bon marché

Le nouveau photocatalyseur adapté à l'éthanol utilise un semi-conducteur de dioxyde de titane (Le titane est un élément chimique métallique de symbole Ti et de numéro...), sous sa forme minérale anatase (L’anatase est une espèce minérale formée d’oxyde de titane de formule...) qui présente un taux de conversion deux fois supérieur à la forme minérale rutile (Le rutile est une espèce minérale composée de dioxyde de titane de formule TiO2 avec...). Ce substrat est ensuite recouvert de nanoparticules d'or, bien meilleur marché que les métaux nobles utilisé pour l'eau (platine, ruthénium (Le ruthénium est un élément chimique, de symbole Ru et de numéro atomique 44,...), rhodium). Les scientifiques sont également arrivés à la conclusion que la taille des particules d'or (comprise entre deux et 12 nanomètres), n'influait pas sur la production d'hydrogène, ce qui permet donc une réduction des coûts.

Le dernier avantage de cette poudre (La poudre est un état fractionné de la matière. Il s'agit d'un solide présent...) catalytique concerne ses conditions d'utilisation: contrairement aux autres procédés généralement mis en oeuvre et pour lesquels il faut chauffer le catalyseur (En chimie, un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d'une réaction chimique ;...) (parfois jusqu'à 500°C), on opère ici à température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) et pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée...) ambiantes, ce qui réduit le coût énergétique du procédé.

Procédé et rendement

Le photocatalyseur solide sous forme de poudre est plongé dans un bain d'éthanol sur lequel on applique de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...) solaire. Sous l'effet de ce rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de...) le semi-conducteur en dioxyde de titane produit des électrons qui sont captés par les nanoparticules d'or. La réaction postérieure de ces particules avec l'alcool produit alors du dihydrogène. Comme le signale M. Llorca "la structure du semi-conducteur et le contact avec les nanoparticules sont primordiaux dans la conception du photocatalyseur".

La quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire,...) d'hydrogène produite dépend de la quantité de photocatalyseur utilisée et de la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) exposée à la lumière. En conditions de laboratoire les chercheurs ont obtenu jusqu'à cinq litres de dihydrogène par kilogramme (Le kilogramme (symbole kg) est l’unité de masse du Système international d'unités (SI).) de catalyseur et par minute ( Forme première d'un document : Droit : une minute est l'original d'un...). A titre d'exemple, avec neuf kilogrammes de catalyseur il serait possible de générer environ trois kilowatts d'électricité en utilisant le dihydrogène ainsi produit via une pile à combustible, ce qui représente environ la puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) nécessaire pour alimenter un foyer. C'est d'ailleurs le prochain objectif des auteurs de l'étude: concevoir des réacteurs optimisés pour un usage (L’usage est l'action de se servir de quelque chose.) domestique et à plus grande échelle (La grande échelle, aussi appelée échelle aérienne ou auto échelle, est un...), afin de promouvoir l'hydrogène en tant qu'alternative aux combustibles fossiles et surtout comme vecteur (En mathématiques, un vecteur est un élément d'un espace vectoriel, ce qui permet...) d'énergie stockable.