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 et Edimbourg, ont été publiés dans la revue Nature Chemistry au mois de mai.
De l'énergie renouvelable pour produire de l'hydrogène
L'hydrogène (utilisé sous forme de dihydrogène H2) permet de générer de l'électricité via une pile à combustible. 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 à partir d'énergies renouvelables est donc une piste prometteuse pour améliorer la compétitivité de l'électricité produite par pile à combustible et également pallier au problème du stockage de l'énergie. Une des voies envisagées est l'utilisation de l'énergie solaire : il faut alors mettre en oeuvre un photocatalyseur, constitué d'un semi-conducteur et d'une couche de métal noble sous forme de nanoparticules. Actuellement, un des semi-conducteurs les plus utilisés est le dioxyde 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 première. Cependant, les rendements obtenus sont très bas et les matériaux 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 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, sous sa forme minérale anatase qui présente un taux de conversion deux fois supérieur à la forme minérale rutile. Ce substrat est ensuite recouvert de nanoparticules d'or, bien meilleur marché que les métaux nobles utilisé pour l'eau (platine, ruthénium, 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 catalytique concerne ses conditions d'utilisation : contrairement aux autres procédés généralement mis en oeuvre et pour lesquels il faut chauffer le catalyseur (parfois jusqu'à 500°C), on opère ici à température et pression 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 solaire. Sous l'effet de ce rayonnement 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 d'hydrogène produite dépend de la quantité de photocatalyseur utilisée et de la surface exposée à la lumière. En conditions de laboratoire les chercheurs ont obtenu jusqu'à cinq litres de dihydrogène par kilogramme de catalyseur et par minute. 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 nécessaire pour alimenter un foyer. C'est d'ailleurs le prochain objectif des auteurs de l'étude : concevoir des réacteurs optimisés pour un usage domestique et à plus grande échelle, afin de promouvoir l'hydrogène en tant qu'alternative aux combustibles fossiles et surtout comme vecteur d'énergie stockable.
