Nanocomposite d'hydrogel nouvellement développé pour la production de masse d'hydrogène

27 avril 2023 (Actualités Nanowerk) Une équipe de recherche dirigée par le professeur HYEON Taeghwan au Centre de recherche sur les nanoparticules de l'Institut des sciences fondamentales (IBS) de Séoul, en Corée du Sud, a développé une nouvelle plate-forme photocatalytique pour la production de masse d'hydrogène. L'étude du groupe sur la plate-forme photocatalytique a conduit au développement d'une matrice photocatalytique flottante, qui permet une réaction efficace de dégagement d'hydrogène avec des avantages évidents par rapport aux plates-formes de production d'hydrogène conventionnelles telles que les types de films ou de panneaux. La recherche a été publiée dans Natural Nanotechnology (“Floatable photocatalytic hydrogel nanocomposites for large-scale solar hydrogen production”). A. Les plates-formes photocatalytiques flottantes sont composées de structures bicouches, d'une couche photocatalytique et d'une couche de support. B. La structure poreuse de la plateforme. C. La structure poreuse de la plate-forme offre une flottabilité. (Image : Institut des sciences fondamentales) L'importance des énergies alternatives a récemment augmenté en raison de défis mondiaux tels que la pollution de l'environnement et le changement climatique. Parmi plusieurs candidats pour les sources d’énergie alternatives, l’énergie hydrogène récoltée par photocatalyse est particulièrement mise en avant pour sa production d’énergie verte durable. En conséquence, de nombreuses recherches et développements ont été réalisés pour améliorer l’efficacité réactionnelle intrinsèque des photocatalyseurs. Cependant, la recherche sur le facteur de forme des systèmes photocatalytiques, qui est essentiel à leur application pratique et à leur commercialisation, n'a pas encore été activement explorée. Habituellement, les systèmes actuels fixent la poudre de catalyseur ou les nanoparticules sur différentes surfaces, telles que les plates-formes de type feuille de particules, film et panneau plat, qui sont immergées sous l'eau. Ils sont également confrontés à des problèmes pratiques tels que la lixiviation des catalyseurs, un mauvais transfert de masse et des réactions inverses. Ils nécessitent également des dispositifs supplémentaires pour séparer et collecter l’hydrogène généré à partir de l’eau, ce qui ajoute à la complexité du dispositif et augmente les coûts. L'équipe du Centre de recherche sur les nanoparticules de l'IBS, dirigée par le professeur Hyeon, a conçu un nouveau type de plate-forme photocatalytique flottant sur l'eau pour une production efficace d'hydrogène. Cette nouvelle plate-forme a une structure bicouche composée d’une couche photocatalytique supérieure et d’une couche de support inférieure (Figure 1A). Les deux couches sont composées d’un polymère structurel poreux qui confère une tension superficielle élevée à la plate-forme (Figure 1B). De plus, la plate-forme est fabriquée sous forme de cryo-aérogel, une substance solide remplie de gaz à l’intérieur, présentant une faible densité. En conséquence, cet élastomère-hydrogel intégrés à des photocatalyseurs peuvent flotter sur l’eau (figure 1C). Cette plate-forme présente des avantages évidents dans la réaction photocatalytique de dégagement d'hydrogène : premièrement, l'atténuation de la lumière par l'eau est évitée, ce qui entraîne une conversion efficace de l'énergie solaire. Deuxièmement, le produit, l’hydrogène gazeux, peut être facilement diffusé dans l’air, évitant ainsi les réactions d’oxydation inverse et préservant un rendement de réaction élevé. Troisièmement, l’eau peut être facilement fournie aux catalyseurs situés à l’intérieur de la matrice élastomère-hydrogel en raison de sa porosité. Enfin, les catalyseurs sont immobilisés de manière stable à l’intérieur de la matrice pour un fonctionnement à long terme sans problèmes de lixiviation. Les chercheurs ont prouvé expérimentalement les performances supérieures de dégagement d’hydrogène de la plate-forme flottante, par rapport à celles de la plate-forme immergée conventionnelle. En outre, l’évolutivité de la plate-forme, essentielle à une éventuelle industrialisation, a également été démontrée sous la lumière naturelle du soleil. Il a été confirmé qu'environ 80 ml d'hydrogène peuvent être produits par la plate-forme photocatalytique flottante en utilisant des catalyseurs à atome unique de cuivre et d'oxyde de titane d'une superficie de 1 m.2. Même après 2 semaines de fonctionnement dans de l’eau de mer contenant divers micro-organismes et matières flottantes, les performances de dégagement d’hydrogène de la plateforme n’ont pas été compromises. Le professeur Kim déclare : « La plateforme proposée peut même produire de l'hydrogène à partir de solutions qui dissolvent les déchets ménagers, telles que les bouteilles en polyéthylène téréphtalate. Par conséquent, la plateforme peut être une solution pour recycler les déchets, ce qui contribue à une société respectueuse de l’environnement. Cette étude présente notamment une plate-forme généralisée pour une photocatalyse efficace qui ne se limite pas à la production d’hydrogène. Il est possible de remplacer le composant catalytique pour diverses utilisations souhaitées, sans modifier les propriétés du matériau aérogel flottant de la plateforme globale. Cela garantit la large applicabilité de la plateforme à d’autres réactions photocatalytiques, telles que la réaction de dégagement d’oxygène, la production de peroxyde d’hydrogène et la génération de divers composés organiques. « Cette étude fait de grands progrès dans le domaine de la photocatalyse et met en valeur le potentiel de production d’hydrogène vert en mer avec des performances de classe mondiale. Les caractéristiques matérielles distinctives, les hautes performances et la large applicabilité dans le domaine de la photocatalyse de notre plateforme ouvriront sans aucun doute un nouveau chapitre dans le domaine des énergies alternatives », a fait remarquer le professeur Hyeon.

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• La source: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62908.php