Un cristal transforme l'eau en hydrogène grâce à la lumière

Un nouveau type de cristal utilisant la lumière pour extraire de l'hydrogène de l'eau pourrait ouvrir la voie à un carburant plus propre et moins coûteux. Bien que l'hydrogène puisse alimenter les véhicules à pile à combustible, sa production actuelle à partir du gaz naturel génère des émissions de dioxyde de carbone avant même son stockage dans le réservoir. L'eau constitue une alternative prometteuse, mais la séparation des atomes d'hydrogène et d'oxygène nécessite une énergie considérable, dont l'approvisionnement propre renchérit souvent le coût final du carburant.

Kyriakos Stylianou, chimiste à l'Université d'État de l'Oregon, et ses collaborateurs ont développé une famille de matériaux permettant une production rapide et efficace d'hydrogène à partir d'eau sous l'effet de la lumière. Leurs travaux, publiés dans le Journal of the American Chemical Society, se concentrent sur un matériau cristallin poreux nommé BVR-19. La réponse de ce composé à la lumière offre des pistes essentielles pour concevoir des systèmes plus performants de conversion de l'énergie solaire en carburant.

L'écart de prix avec l'hydrogène vert

L'extraction d'hydrogène par électrocatalyse, qui consiste à faire passer un courant électrique à travers un catalyseur, est déjà opérationnelle. Ce procédé accélère la réaction chimique sans altérer durablement le catalyseur, mais sa viabilité dépend entièrement de l'utilisation d'une électricité renouvelable. Pour rivaliser avec l'hydrogène issu du gaz naturel, cette source d'énergie doit également être bon marché.

Kyriakos Stylianou souligne un écart tarifaire significatif : environ 1,50 dollar par kilogramme pour l'hydrogène produit par reformage vaporeux du méthane, contre près de 5 dollars par kilogramme pour l'hydrogène vert. Réduire cette différence aurait des répercussions au-delà du secteur automobile, car l'hydrogène intervient aussi dans la fabrication d'ammoniac, le raffinage des métaux et la production de plastiques.

Le rôle déterminant des métaux et du soufre

Dans la structure du BVR-19, des molécules organiques relient des ions métalliques chargés positivement pour former un réseau présentant des pores à l'échelle nanométrique. Ces structures cristallines, appelées réseaux métallo-organiques (MOF), permettent aux chimistes d'ajuster les propriétés du matériau en variant les métaux et les blocs de construction organiques. Près de 100 000 MOF ont déjà été synthétisés, tandis que les caractéristiques d'un demi-million d'autres configurations ont été prédites parmi des millions de possibilités théoriques.

« En modifiant le métal tout en conservant le reste du matériau essentiellement identique, nous avons découvert pourquoi certaines versions du MOF fonctionnent bien mieux que d'autres », explique Kyriakos Stylianou. « Ces résultats fournissent de nouvelles règles de conception pour créer des matériaux plus efficaces destinés à la production de carburant solaire. »

Lorsque la lumière frappe le BVR-19, elle rompt temporairement une liaison entre deux atomes de soufre, générant des espèces soufrées réactives. Cette réaction confère au matériau ses propriétés photocatalytiques : il absorbe la lumière, atteint un état énergétique supérieur et utilise cette énergie pour favoriser la réaction chimique. Selon le chercheur, le composant organique joue un rôle crucial. « Au lieu de s'appuyer principalement sur les atomes métalliques, notre matériau utilise ses blocs de construction organiques contenant du soufre pour capturer l'énergie lumineuse et déplacer les électrons là où ils sont nécessaires pour produire de l'hydrogène. Cela représente une nouvelle approche de la conception de ces matériaux. »

Synthèse simplifiée et perspectives industrielles

Le BVR-19 opère sans nécessiter de catalyseur métallique supplémentaire coûteux, ce qui pourrait simplifier les futurs systèmes de production d'hydrogène par voie lumineuse. Sa préparation présente un autre avantage majeur : le matériau se forme spontanément dans une solution aqueuse à température ambiante, offrant ainsi un gain énergétique notable lors de sa synthèse.

Remplir le réservoir d'un véhicule à pile à combustible avec de l'hydrogène produit selon cette méthode dépendra de la capacité à transformer ces avantages matériels en un système de production abordable. Directeur du Laboratoire de découverte des matériaux de l'Université d'État de l'Oregon, connu sous le nom de MaD Lab, Kyriakos Stylianou considère ces découvertes comme une feuille de route vers cet objectif.