Photosynthèse artificielle : le Technion (Israël) et l'Université de Bologne améliorent l'énergie solaire pour produire de l'hydrogène
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Des chercheurs du Technion en Israël et de l’Université de Bologne en Italie ont amélioré de façon spectaculaire l’utilisation de l’énergie solaire pour produire de l’hydrogène et d’autres produits.
Depuis des décennies l’hydrogène est considérée comme le carburant du futur, car sa combustion ne libère que de l’énergie et de l’eau et ne pollue pas l’environnement. Mais la majeure partie de l’hydrogène d’aujourd’hui est produite à partir de gaz naturel dans un processus polluant qui contribue au réchauffement climatique. Une alternative prometteuse pour une production propre et renouvelable d’hydrogène consiste à diviser l’eau en hydrogène et en oxygène, en utilisant la lumière du soleil, par un processus appelé photocatalyse.
Dans ce processus, les charges électriques positives et négatives générées dans les particules semi-conductrices après l’absorption de la lumière solaire, sont exploitées pour la promotion de réactions chimiques d’intérêt. Dans le cas du fractionnement de l’eau, les charges électriques cassent les molécules d’eau ; les charges négatives produisent de l’hydrogène et les charges positives produisent de l’oxygène. Les deux réactions, impliquant les charges positives et négatives, doivent avoir lieu simultanément. Sans tirer parti des charges positives, les charges négatives ne peuvent pas être acheminées pour produire l’hydrogène souhaité.
En conséquence, même si l’oxygène n’est pas considéré comme un produit précieux, un grand effort mondial a été consacré au développement de systèmes de photocatalyse capables de réaliser une division globale de l’eau, qui a rencontré peu de succès. La réaction de fractionnement de l’eau implique plusieurs étapes distinctes et demeure par conséquent un défi important. Pour l’instant, aucun système photocatalytique stable et efficace qui peut faciliter le fractionnement complet de l’eau n’a été développé, et la recherche de moyens pour une production verte renouvelable d’hydrogène se poursuit. Mais une solution créative à ce problème vient d’être développée.
La recherche a été dirigée par le professeur Lilac Amirav de la faculté de chimie Schulich du Technion, en collaboration avec des collègues de l’Université de Bologne.
Le groupe a utilisé des nanoparticules uniques, développées il y a plusieurs années par le professeur Amirav, comme système de photocatalyse. Ces particules nanométriques présentent la plus grande efficacité d’utilisation de la lumière et des charges négatives pour la production d’hydrogène. L’équipe vient de montrer également une nouvelle approche pour une utilisation efficace des charges positives et un moyen de dissocier la production d’hydrogène souhaitable de l’évolution problématique de l’oxygène.
Les chercheurs présentent des systèmes de photocatalyse remarquables pour la production d’hydrogène à partir d’eau, tout en transformant simultanément la benzylamine en benzaldéhyde. Le benzaldéhyde est produit en utilisant les charges positives, comme alternative à la production d’oxygène, il est utilisé par l’industrie alimentaire, la peinture, le plastique et les cosmétiques. Ce processus innovant utilise à la fois les charges négatives et positives, utilisant ainsi l’énergie solaire de manière plus efficace et plus efficace.
« Disons que nous avons transformé le processus de photocatalyse à la photosynthèse, c’est-à-dire une véritable conversion de l’énergie solaire en combustible », a déclaré le professeur Amirav. «De plus, l’efficacité de conversion énergétique de ce processus établit un nouveau record mondial dans le domaine de la photocatalyse à base de particules.»
Le professeur Amirav fait référence au fait que le système de photocatalyse effectue une véritable conversion de l’énergie solaire en liaisons chimiques stockables, avec un maximum de 4,2% d’efficacité de conversion d’énergie solaire-chimique. Ce chiffre établit un nouveau record du monde dans le domaine de la photocatalyse et double le record précédent. Plus important encore, le département américain de l’Énergie a défini 5 à 10% comme le «seuil de faisabilité pratique» pour générer de l’hydrogène par photocatalyse. Le succès des chercheurs dans la conversion de l’énergie solaire mène aux portes d’une conversion économiquement viable du solaire en hydrogène.
Publication dans Nano Energy, avril 2020
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For decades, hydrogen has been considered the fuel of the future, because its burning releases only energy and water, and does not pollute the environment. But most of today’s hydrogen is produced from natural gas in a polluting process that contributes to global warming. A promising alternative for clean and renewable production of hydrogen is the splitting of water into hydrogen and oxygen, using sunlight, by a process called photocatalysis.
In a photocatalytic process, positive and negative electric charges, which are generated in semiconductor particles following absorption of sunlight, are harnessed for the promotion of chemical reactions of interest. In the case of water splitting, the electric charges break the water molecules; the negative charges produce hydrogen, and the positive charges produce oxygen. The two reactions, involving the positive and negative charges, must take place simultaneously. Without taking advantage of the positive charges, the negative charges cannot be routed to produce the desired hydrogen.
As a result, even though oxygen is not considered a valuable product, great global effort was devoted to the development of photocatalytic systems that can achieve overall water splitting. These efforts, however, met little successes. The water splitting reaction involves several separate steps, and as a result remains a significant challenge. As of yet, stable and efficient photocatalytic systems that can facilitate full water splitting have not been developed, and the search for means for green renewable production of hydrogen continues.
Now, in an article published in the journal Nano Energy, a creative solution to this problem has been presented.
The research was led by Professor Lilac Amirav of the Technion’s Schulich Faculty of Chemistry, together with colleagues at the University of Bologna. The group used unique miniature particles, developed several years ago by Prof. Amirav, as the photocatalytic system. These nanoscale particles (one nanometer is 10-9 m) present the greatest efficiency in utilizing light and the negative charges for the production of hydrogen. Now, the team demonstrates a new approach for efficient utilization of the positive charges as well, and a way for decoupling the desirable Hydrogen production from the problematic Oxygen evolution.
The researchers present remarkable photocatalytic activities for the production of hydrogen from water, while simultaneously transforming benzylamine to benzaldehyde. The benzaldehyde is produced using the positive charges, as an alternative to the production of oxygen. Used by the food, paint, plastic and cosmetic industries, it is considered a valuable product. The innovative process uses both the negative and the positive charges, thus utilizing the solar energy in a more efficient and effective way.
“One could say that we have transformed the process from photocatalysis to photosynthesis, that is, genuine conversion of solar energy into fuel,” said Prof. Amirav. “In addition, the energy-conversion efficiency in this process sets a new world record in the field of particle-based photocatalysis.”
Prof. Amirav is referring to the fact that the photocatalytic system performs true conversion of solar power into storable chemical bonds, with a maximum of 4.2% Solar-To-Chemical energy conversion efficiency. This figure establishes a new world record in the field of photocatalysis and doubles the previous record. More importantly, the U.S. Department of Energy defined 5-10% as the “practical feasibility threshold” for generating hydrogen through photocatalysis. The researchers success in solar energy conversion brings us to the doorsteps of economically viable solar to hydrogen conversion.
Publication in Nano Energy April 2020
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