Production d’hydrogène par photolyse de l’eau assistée par résonance plasmon

15/11/2013
Auteurs :
Publication eREE
OAI : oai:www.see.asso.fr:14389:5299
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Résumé

Production d’hydrogène par photolyse de l’eau assistée par résonance plasmon

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	    <date dateType="Created">Fri 15 Nov 2013</date>
	    <date dateType="Updated">Mon 25 Jul 2016</date>
            <date dateType="Submitted">Fri 20 Apr 2018</date>
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7 mai 2013       Production d’hydrogène par photolyse de l’eau assistée par  résonance plasmon  Jean‐Pierre Hauet  Membre émérite de la SEE    Au cours des dernières années, une attention  croissance a été portée à la conversion directe  de l’énergie solaire en hydrogène, sans passer  par la filière photoélectrique, en utilisant des  méthodes  de  photolyse  de  l’eau,  c'est‐à‐dire  de décomposition de la molécule d’eau par la  lumière par des mécanismes qui émulent ceux  de  la  photosynthèse  chlorophyllienne.  L’élan  avait  été  donné  par  la  découverte  en  1967,  publiée  en  1972,  de  l’effet  Honda‐Fujishima1   utilisant  les  propriétés  photo‐catalytiques  de  l’oxyde  de  titane  (un  produit  aux  vertus  incroyablement  diverses…)  pour  décomposer  l’eau  sous  l’effet  d’un  rayonnement  ultra‐ violet.  L’enjeu  est  considérable :  la  maîtrise  des  réactions de photosynthèse, et notamment de  la  photolyse  de  l’eau,  ouvrirait  la  voie  à  la  production  de  carburants  et  de  matières  premières  par  utilisation  directe  de  l’énergie  solaire, en commençant par l’hydrogène, plus  facile  à  stocker  que  l’énergie  électrique.  Toutefois,  le  problème  n’est  pas  simple  et   l’effet  Honda‐Fujishima  a  une  efficacité  très  faible  en  raison  de  la  recomposition  trop  rapide  dans  l’oxyde  de  titane  des  paires  électron‐trou  créées  par  l’absorption  des  photons.  Les  travaux  se  poursuivent  donc  dans  divers  laboratoires  pour  améliorer  l’efficacité  de  la  réaction.  L’une  des  idées,  développée  par  plusieurs  équipes,  est  de  « décorer »  le  TiO2  par  des    nanoparticules  de  métaux  précieux,  or  ou  platine,  qui  agissent  comme  pièges  à  électrons  limitant  ainsi  leurs  recombinaisons                                                               1   Akira  Fujishima  et  Kenichi  Honda  (1972)  ‐  "Electrochemical  Photolysis  of  Water  at  a  Semiconductor Electrode". Nature 238 (5358)   et les rendant disponibles pour la réduction de  la molécule d’eau. De plus, ces particules ont  la  propriété  de  développer  sous  l’effet  des  photons  des  résonances  plasmon  de  surface  (SPR) qui facilitent la photolyse et permettent  de  la  rendre  plus  efficace  dans  certaines  parties du spectre, y compris le spectre visible,  en  ajustant  la  fréquence  de  résonance  par  variation de la proportion relative d’oxyde de  titane  et  de  métal.  On  rappelle  que  les  plasmons  correspondent  à  des  oscillations  dans  le  métal  du  nuage  d’électrons  libres  autour  des  ions  considérés  comme  fixes.  Ces  plasmons constituent des quasi‐particules qui  correspondent  aux  ondes  ainsi  créées  qui  peuvent  décrites  par  les  équations  de  Maxwell.   En  février  2012,  une  équipe  de  la  National  Taïwan University (Jeffrey Chi‐Sheng  Wu, Jiu‐ Jen  Chen,  Pin  Chieh  Wu  et  Din  Ping  Tsai)  a  publié  des  résultats  d’expérimentations  menées sur des nanoparticules d’or déposées  sur le TiO2 mettant en évidence une fréquence  de résonance plasmon à 562.8 nm, avec une  augmentation  considérable  de  la  photo‐ réactivité, pour un spectre mixte, UV + visible,  grâce  à  une  combinaison  des  deux  mécanismes  se  développant  au  niveau  des  nanoparticules :  SPR  et    puits  d’électron  (Figure 1).              Figure  1 :  Les  électrons  excités  par  les  photons  migrent vers la bande conduction (CB) de l’oxyde  de  titane  puis  vers  les  nanoparticules  ou  ils  produisent de l’hydrogène. Les trous sont orientés  en  sens  inverse  pour  produire  de  l’oxygène  à  l’anode.  La  résonance  plasmonique  de  surface  générée  par  l’irradiation  se  traduit  par  une  efficacité  catalytique  accrue  au  niveau  des  nanoparticules. Source : Jeffey Chi‐Sheng Wu & Al  (2012).  Plus récemment (décembre 2012), une équipe  de  l’Université  de  Californie  –  Santa  Barbara  (Syed  Mubeen,  Jou  Lee,  Martin  Moskovits,  Nirala  Singh)  a  proposé  une  structure  composée d’une forêt de nano‐barreaux d’or  de  50  nm.  Dans  la  partie  supérieure,  ces  barreaux  sont  recouverts  d’une  couche  très  mince  d’oxyde  de  titane,  elle‐même  décorée  de  nanoparticules  de  platine.  Dans  la  partie  inférieure,  un  catalyseur  au  cobalt  facilite  l’oxydation  des  molécules.  Une  membrane  semi‐perméable    sépare  les  deux  extrémités  et  évite  à  l’oxygène  de  se  mélanger  à  l’hydrogène.    Figure 2 : Structure des nano‐barreaux du dispositif  de l’université de Santa‐Barbara. Source : Syed  Mubeen & Al.  Chaque  nano‐barreau  fonctionne  de  façon  autonome  et  sans  connexion  électrique.  Une  production de 5 103  molécules de H2 par cm2 ,  sous  une  illumination  d’un  soleil  dans  les  longueurs d’onde du visible, a été observée de  façon  stable  pendant  des  périodes  de  six  heures réparties sur 66 heures, sans que des  phénomènes  de  photo‐corrosion  n’apparaissent.  Le  rendement  de  la  filière  est  encore  très  faible  (de  l’ordre  de  0.1  %)  mais  des  voies  existent  pour  l’améliorer,  notamment  en  accroissant  la  surface  dévolue  au  platine.  Le  système  pourrait  également  être  utilisé  en  parallèle  avec  d’autres  mieux  adaptés  au  rayonnement  ultra‐violet.  La  filière  photovoltaïque  a  mis  des  décennies  pour  progresser  et  n’a  pas  encore  atteint  son  asymptote (voir le flash info dédié aux progrès  annoncés  récemment  sur  certaine  filières).  Il  se  peut  que  la  filière  photolytique  devienne  une  voie  de  progrès  importante  dans  les  décennies à venir.