Le matériau d'oxyde de titane de Drexel permet à la lumière du soleil de stimuler la production d'hydrogène vert

Aug 18, 2023

Les plans d'énergie propre, y compris la « Feuille de route pour l'hydrogène propre » de la loi américaine sur les investissements dans les infrastructures, comptent sur l'hydrogène comme carburant du futur. Mais la technologie actuelle de séparation de l’hydrogène n’atteint toujours pas ses objectifs d’efficacité et de durabilité. Dans le cadre des efforts continus visant à développer des matériaux susceptibles de permettre des sources d'énergie alternatives, des chercheurs du Collège d'ingénierie de l'Université Drexel ont produit un matériau nanofilament d'oxyde de titane capable d'exploiter la lumière du soleil pour libérer le potentiel de la molécule omniprésente en tant que source de carburant.

Cette découverte offre une alternative aux méthodes actuelles, génératrices de gaz à effet de serre et très gourmandes en énergie. La photocatalyse, un processus qui permet de séparer l'hydrogène de l'eau en utilisant uniquement la lumière du soleil, est explorée depuis plusieurs décennies, mais reste une considération plus lointaine car les matériaux catalytiques permettant le processus ne peuvent y survivre qu'un jour ou deux, ce qui limite sa longue durée de vie. son efficacité à terme et, par conséquent, sa viabilité commerciale.

Le groupe de Drexel, dirigé par les chercheurs du Collège d'ingénierie Michel Barsoum, PhD, et Hussein O. Badr, PhD, en collaboration avec des scientifiques de l'Institut national de physique des matériaux de Bucarest, en Roumanie, a récemment annoncé sa découverte d'un composé photocatalytique à base d'oxyde de titane, un Matériau nanofilament dimensionnel qui peut aider la lumière du soleil à glaner l'hydrogène de l'eau pendant des mois à la fois. Leur article « Lépidocrocite photo-stable à base de nanofilaments 1D à base de TiO2 pour la production photocatalytique d'hydrogène dans des mélanges eau-méthanol », publié dans la revue Matter, présente une voie durable et abordable pour créer du carburant hydrogène, selon les auteurs.

"Notre photocatalyseur à nanofilaments unidimensionnels d'oxyde de titane a montré une activité nettement supérieure - d'un ordre de grandeur - à celle de son homologue commercial à base d'oxyde de titane", a déclaré Badr. "De plus, notre photocatalyseur s'est avéré stable dans l'eau pendant 6 mois. Ces résultats représentent une nouvelle génération de photocatalyseurs qui peuvent enfin lancer la transition tant attendue des nanomatériaux du laboratoire au marché."

Le groupe de Barsoum a découvert des nanostructures dérivées d'hydroxydes (HDN) — la famille des nanomatériaux d'oxyde de titane, à laquelle appartient le matériau photocatalytique — il y a deux ans, alors qu'il élaborait un nouveau procédé de fabrication de matériaux MXène, que les chercheurs de Drexel explorent depuis plusieurs années. de candidatures. Au lieu d’utiliser l’acide fluorhydrique caustique standard pour éliminer chimiquement les MXènes bidimensionnels en couches à partir d’un matériau appelé phase MAX, le groupe a utilisé une solution aqueuse d’une base organique commune, l’hydroxyde de tétraméthylammonium.

Mais plutôt que de produire un MXène, la réaction a produit de fins brins fibreux à base d’oxyde de titane – dont l’équipe a découvert qu’ils possédaient la capacité de faciliter la réaction chimique qui sépare l’hydrogène des molécules d’eau lorsqu’elles sont exposées au soleil.

"Les matériaux à base d'oxyde de titane ont déjà démontré des capacités photocatalytiques, donc tester nos nouveaux nanofilaments pour cette propriété faisait naturellement partie de notre travail", a-t-il déclaré. "Mais nous ne nous attendions pas à découvrir que non seulement ils sont photocatalytiques, mais qu'ils constituent également des catalyseurs extrêmement stables et productifs pour la production d'hydrogène à partir de mélanges eau-méthanol."

Le groupe a testé cinq matériaux photocatalytiques – des HDN à base d'oxyde de titane, dérivés de divers matériaux précurseurs peu coûteux et facilement disponibles – et les a comparés au matériau à base d'oxyde de titane d'Evonik Aeroxid, appelé P25, qui est largement accepté comme le matériau photocatalyseur le plus proche de la viabilité commerciale. .

Chaque matériau a été immergé dans une solution eau-méthanol et exposé à la lumière ultraviolette visible produite par une lampe éclairante réglable qui imite le spectre du soleil. Les chercheurs ont mesuré à la fois la quantité d’hydrogène produite et la durée d’activité dans chaque réacteur, ainsi que le nombre de photons de la lumière qui produisaient de l’hydrogène lorsqu’ils interagissaient avec le matériau catalyseur – une mesure permettant de comprendre l’efficacité catalytique de chaque matériau.