Libérer la puissance de la lumière : un nouveau photoréacteur compact pour la photoproduction d'hydrogène

Le dihydrogène H₂ est l'un des combustibles solaires les plus attrayants en raison de son contenu énergétique massique élevé, qui est jusqu'à trois fois supérieur à celui des combustibles fossiles conventionnels lorsqu'il est utilisé en combustion directe. Jusqu'à présent, la production photocatalytique d'H₂ n'a néanmoins pas atteint un niveau technologique suffisant en raison d'un double défi : Il faut en effet d’une part trouver des catalyseurs efficaces, abondants, recyclables et peu coûteux et d’autre part mettre au point un réacteur évolutif, facile à construire et à manipuler. La conception rationnelle de systèmes photocatalytiques performants est ainsi au centre de cette thématique de recherche depuis plusieurs décennies. Cependant, le manque de données précises concernant les distributions de masse et d’énergie dans les réacteurs photochimiques en fonctionnement rend difficile la comparaison entre les performances des différentes expériences, et fait obstacle au progrès général du domaine.

Une équipe pluridisciplinaire dirigée par des chercheurs et chercheuses du Laboratoire de Physique des Solides (LPS, CNRS / Université Paris-Saclay), en collaboration avec des collègues de l'Institut de physique et chimie des matériaux de Strasbourg (IPCMS, CNRS / Université de Strasbourg), du Rutherford Appleton Laboratory et des universités de Grenade, Camerino et Southampton, a conçu un photoréacteur compact (figure a) dans laquelle se produit une réaction de dégagement de H₂ en présence d'un agent sacrificiel soumis à une irradiation frontale. Des jonctions TiO₂/Schottky de référence, utilisant des nanoparticules de palladium, de platine ou d’or ont été synthétisées et caractérisées avant de tester leurs performances pour valider le fonctionnement du réacteur. Une méthodologie a été mise en place pour déterminer les profils locaux d'absorption photonique, ce qui permet d'extraire le rendement quantique local pour les matériaux sélectionnés.

Une approche multi-échelle a été appliquée pour déterminer les propriétés surfaciques et massiques de chaque système et établir des corrélations entre les micro-structures observées et les performances obtenues. Il est intéressant de noter que les jonctions Schottky (Pd, Pt, Au)/TiO₂ présentent des taux de production de H₂ et des rendements quantiques plus élevés (figure b), à l'exception des catalyseurs Au/TiO₂. Ce résultat intrigant a ouvert la voie à une analyse approfondie par spectroscopie de perte d'énergie électronique, fournissant des informations intéressantes sur la modification du mode plasmonique Au à l'interface TiO₂. Dans l'ensemble, les capacités de production de H₂ de ce travail sont nettement supérieures à celles des systèmes actuellement établis, montrant que la géométrie et la configuration du réacteur pourraient potentiellement servir de référence dans le domaine et favoriser de nouvelles avancées dans le domaine de la photocatalyse. Ce travail a été publié dans le Chemical Engineering Journal.