Création d’énergie hydrogène à partir de la lumière solaire – Division photocatalytique

Des scientifiques de l’Université Tohoku et d’autres institutions de premier plan ont récemment dévoilé un processus de découpage photocatalytique de l’eau qui pourrait révolutionner la production d’hydrogène. Cette nouvelle approche utilise l’énergie solaire pour assister l’électrolyse de l’hydrogène, séparant l’eau en molécules d’hydrogène et d’oxygène. Ainsi, elle pourrait révolutionner le secteur de l’énergie propre et ouvrir la voie à une compréhension plus approfondie des capacités photocatalytiques.

Comment fonctionne la photocatalyse

La photocatalyse se produit lorsque la lumière UV est utilisée pour activer d’autres catalyseurs, ce qui déclenche un processus chimique. C’est une stratégie courante employée par les scientifiques qui permet un démarrage plus propre des processus et ne nécessite pas l’utilisation de catalyseurs supplémentaires au départ. Dans la plupart des cas, le catalyseur absorbe l’énergie UV jusqu’à atteindre son stade d’activation. Notamment, le dioxyde de titane (TiO2) est le photocatalyseur le plus stable et le plus actif actuellement.

Limitations actuelles des systèmes photocatalytiques

Il reste encore beaucoup de recherche et de développement à réaliser concernant l’utilisation des processus photocatalytiques. Certaines limites de la science comprennent une faible efficacité et une recombinaison rapide des électrons et des trous. Cette dernière entraîne une performance réduite et des déchets supplémentaires.

Production d’hydrogène photocatalytique: Un aperçu

Un domaine d’intérêt où la photocatalyse a trouvé sa place est celui des applications de découpage de l’eau. Les scientifiques ont constaté qu’en utilisant la lumière du soleil pour décomposer les molécules d’eau en hydrogène et en oxygène, ils peuvent créer une source d’énergie propre, disponible partout dans le monde et pouvant être mise à l’échelle pour répondre aux besoins de la communauté.

Aperçu de l’étude: Les hétérobilayers Janus en action

L’étude¹, “Rational Design 2D Heterobilayers Transition-Metal Dichalcogenide and Their Janus for Efficient Water Splitting“, examine l’utilisation des photocatalyseurs dans l’électrolyse de l’hydrogène. L’étude explore en profondeur comment améliorer la performance photocatalytique, en examinant des compositions matérielles uniques, y compris les hétérobilayers Janus.

Le rôle des hétérobilayers Janus dans le découpage de l’eau

Les hétérobilayers Janus sont des structures 2D qui possèdent des caractéristiques uniques en fonction de leur positionnement. Ils sont créés à partir de multiples combinaisons de matériaux, pouvant exploiter des dipôles intrinsèques et de forts champs électriques internes. Notamment, les combinaisons sont presque illimitées. Cependant, pour cette étude, l’équipe s’est concentrée sur les hétérobilayers Janus de dichalcogénures de métaux de transition (TMDC).

Source – Tohoku University

Théorie de la fonctionnelle de densité (DFT)

Les chercheurs ont utilisé des calculs de théorie de la fonctionnelle de densité (DFT) pour déterminer les arrangements atomiques idéaux. Les modèles ont permis à l’équipe d’identifier des renforcements du champ électrique, ce qui a permis de suivre des données cruciales, notamment la mobilité des porteurs, la chimie de surface, les bandes interdites et l’alignement des champs électriques synthétiques et internes.

Test des combinaisons de matériaux pour l’efficacité

Les scientifiques ont sélectionné 20 paires optimales pour les tests. Ils ont ensuite utilisé le modèle d’interaction de Fröhlich afin de mieux comprendre comment la diffusion des phonons et d’autres processus influencent la performance photocatalytique.

Principales conclusions: WS₂–SMoSe atteint 16,62 % d’efficacité

Après avoir testé les 20 options, les scientifiques ont pu optimiser les propriétés électroniques et structurelles des matériaux 2D afin de créer une solution idéale. Notamment, l’équipe a déterminé que l’hétérobilayer WS₂‑SMoSe offrait les meilleurs résultats. Le matériau a démontré une efficacité de conversion solaire‑vers‑hydrogène de 16,62 %, largement supérieure aux alternatives précédentes.

Pourquoi l’hydrogène photocatalytique est important pour l’énergie propre

Les avantages de l’étude sur l’hydrogène propre sont indéniables. D’une part, cette technologie offre une voie plus claire vers la production d’énergie propre, réduisant les émissions de gaz à effet de serre et ralentissant le réchauffement climatique. L’utilisation de l’énergie solaire pour alimenter le processus est un excellent exemple de valorisation d’une source d’énergie propre pour en créer une autre.

Applications réelles et calendrier de déploiement

Cette technologie possède plusieurs applications. D’une part, elle pourrait être utilisée pour alimenter votre maison ou vos véhicules à l’avenir. De nombreuses options fonctionnant à l’hydrogène existent déjà. Cependant, par le passé, l’obtention d’hydrogène était un processus que l’individu moyen ne pouvait pas réaliser en toute sécurité. Cette dernière amélioration pourrait ouvrir la voie à une électrolyse à faible coût initiée par le solaire, en accord avec l’objectif mondial de réduire la pollution et d’accroître l’indépendance énergétique.
Aucun détail n’a été fourni quant au moment où cette technologie pourrait arriver sur le marché. Cependant, il est raisonnable de penser qu’il faudra encore 5 à 10 ans avant que vous puissiez alimenter votre voiture avec de l’hydrogène provenant de votre ferme solaire grâce à votre propre électrolyseur. Ce délai pourrait être réduit à mesure que la demande d’énergie propre continue d’augmenter.

Chercheurs du découpage photocatalytique de l’eau

L’étude sur le découpage photocatalytique de l’eau a été organisée par l’Université Tohoku et l’Université des Sciences, Université nationale du Vietnam – Ho Chi Minh Ville (VNU‑HCM). Cette étude cite Nguyen Tuan Hung comme auteur principal et Vu Thi Hanh Thu comme co‑auteur. Elle indique également que Nguyen Tran Gia Bao, Ton Nu Quynh Trang, Nam Thoai et Thang Bach Phan ont contribué à cette recherche révolutionnaire.

Quelles sont les prochaines étapes pour la technologie de l’hydrogène photocatalytique ?

Il reste encore beaucoup de recherches à mener pour créer le système photocatalytique idéal. Les ingénieurs chercheront désormais à rendre le processus plus simple et plus accessible au public. Ces étapes comprendront la réduction de la taille du système, le rendre portable, facile d’utilisation et intégrable dans une maison moyenne.

Investir dans le secteur du carburant hydrogène

Plusieurs entreprises rivalisent dans le secteur du carburant hydrogène, qui devrait atteindre 40,39 milliards de dollars d’ici 2029. Ces sociétés offrent une gamme de services allant de l’hydrogène préparé aux systèmes sur site, moteurs de voitures, et bien plus encore. Voici une entreprise qui a réussi à se tailler une niche sur le marché et à rester un concurrent respecté.

Plug Power

Power Plug (PLUG ) est entré sur le marché en 1997 après que DTE Energy (DTE ) et Mechanical Technology Inc. se soient associées pour fournir des systèmes de piles à combustible à hydrogène haute performance. L’entreprise est actuellement basée à Latham, New York, et compte plus de 3 400 employés.
Depuis son lancement, Power Plug a réalisé d’importants progrès sur le marché. Elle a été le premier fabricant de systèmes à hydrogène à proposer des piles à combustible commerciales aux clients de l’UE. De plus, elle a été pionnière dans l’utilisation de moteurs à hydrogène dans l’industrie du transport routier. Tous ces éléments reflètent l’objectif de l’entreprise de fournir des solutions d’énergie propre variables.

Power Plug est idéalement positionnée pour gagner en pénétration de marché, la communauté internationale s’étant engagée à réduire considérablement les combustibles fossiles au cours des prochaines décennies. Ainsi, l’entreprise pourrait grandement en bénéficier si elle lançait un système de découpage photocatalytique de l’eau au public dans les années à venir.

Dernières nouvelles et développements des actions Plug Power (PLUG)

Découpage photocatalytique de l’eau  – L’hydrogène propre arrive

L’étude sur le découpage photocatalytique de l’eau représente un virage vers l’exploitation de multiples stratégies d’énergie propre afin d’accroître la production d’électricité. Il faut saluer cette équipe d’ingénieurs pour avoir contribué à élargir la compréhension des processus photocatalytiques et démontré comment ils ouvrent la porte à une nouvelle ère de production d’hydrogène.

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Études référencées:

^{1. Bao, N. T. G., Trang, T. N. Q., Thoai, N., Phan, T. B., Thu, V. T. H., & Hung, N. T. (2025). Conception rationnelle d’hétérobilayers 2D de dichalcogénures de métaux de transition et leurs Janus pour un découpage efficace de l’eau. ACS Applied Energy Materials, 8(8), 5209–5221. https://doi.org/10.1021/acsaem.5c00175}