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Du soleil et des électrodes nanostructurées sont les deux ingrédients utilisés par le professeur My Ali El Khakani de l’INRS et une équipe de l’ICPEES en France, pour produire de l’hydrogène vert.
Aperçu au travers d’une fenêtre de l’intérieur d’un réacteur sous ultra-haut vide où les nanotubes d’oxyde de titane sont décorés avec des nanoparticules d’oxyde de cobalt. On y voit une « plume » lumineuse (plasma produit par ablation laser) qui pulvérise l’oxyde de cobalt pour donner naissance à la formation de ses nanoparticules. Photo : Christian Fleury
L’équipe de recherche du professeur My Ali El Khakani de l’Institut national de la recherche scientifique (INRS) trace la voie vers la production d’hydrogène vert. Elle a joint ses efforts à une équipe de l’Institut de chimie et procédés pour l’énergie, l’environnement et la santé (ICPEES), sous la cotutelle du Centre national de la recherche scientifique (CNRS) et de l’Université de Strasbourg, pour fabriquer de nouvelles électrodes nanostructurées photosensibles. Les résultats de leur recherche ont été publiés dans la revue Solar Energy Materials and Solar Cells.
Un vecteur de transition
L’hydrogène est considéré par plusieurs pays de l’Organisation de coopération et de développement économiques (OCDE) comme un vecteur important pour la transition énergétique. Selon le professeur My Ali El Khakani, le Québec pourrait se positionner stratégiquement dans ce secteur énergétique d’avenir. « Grâce à des nanomatériaux performants, nous pouvons améliorer l’efficacité de dissociation de l’eau pour produire de l’hydrogène. Ce carburant “propre” occupe une part croissante dans le secteur du transport intensif et lourd, pour le camionnage et le transport public par exemple. Ainsi, des autobus qui utilisent l’hydrogène comme combustible sont déjà en circulation dans plusieurs pays européens et en Chine. Ces autobus rejettent de l’eau au lieu des gaz à effet de serre », soutient le physicien et spécialiste des nanomatériaux.
Briser la molécule d’eau en oxygène et en hydrogène se fait déjà par l’électrolyse. Or, les électrolyseurs industriels sont très énergivores et nécessitent de grands investissements. Les équipes de l’INRS et de l’ICPEES se sont plutôt inspirées d’un mécanisme naturel : la photosynthèse. En effet, elles ont développé des électrodes avec une ingénierie et une structure particulières qui, sous le rayonnement du Soleil, dissocient la molécule d’eau. C’est le processus de photocatalyse.
Les défis de la conception
Afin d’exploiter au maximum l’énergie solaire, les équipes de recherche ont sélectionné un matériau très abondant et très stable chimiquement : le dioxyde de titane (TiO2). Le TiO2 est un semiconducteur connu pour sa photosensibilité aux rayons ultraviolets, qui n’occupent que 5 % du spectre solaire. Les chercheuses et les chercheurs ont mis à profit leur expertise dans le domaine pour d’abord changer la composition atomique du TiO2 et étendre sa photosensibilité à la lumière visible. Ils ont ainsi réussi à produire des électrodes pouvant absorber jusqu’à 50 % de la lumière émise par le Soleil. Un gain significatif dès le départ !
Par la suite, les équipes ont procédé à la nanostructuration de l’électrode pour former un réseau de nanotubes de TiO2 (NT-TiO2), ressemblant à des alvéoles de ruche d’abeilles. Cette méthode a permis de multiplier la surface effective de l’électrode par un facteur de 100 000 ou plus. « La nanostructuration permet de maximiser le rapport entre la surface et le volume de la matière. Ainsi, des nanostructures de TiO2 peuvent offrir une surface pouvant atteindre environ 50 m2 par gramme. C’est la superficie d’un 4 ½ ! », souligne avec enthousiasme le professeur El Khakani.
L’étape finale de la préparation de l’électrode est celle de sa « nanodécoration ». Ce processus consiste à déposer des nanoparticules de catalyseurs sur ce réseau infini de nanotubes de TiO2 afin d’améliorer l’efficacité de production d’hydrogène. Pour ce faire, les équipes de recherche ont fait appel à la déposition par ablation laser, le domaine d’expertise du professeur El Khakani depuis plus de 25 ans.
Des matériaux accessibles
L’enjeu était non seulement de contrôler la taille, la dispersion et l’ancrage des nanoparticules de catalyseurs sur la matrice des nanotubes de TiO2, mais surtout de trouver un nanocatalyseur alternatif à l’iridium et au platine, deux matériaux nobles extrêmement coûteux. Ces travaux de recherche, qui ont fait l’objet de la thèse de doctorat de Thomas Favet (dans le cadre d’une cotutelle entre l’INRS et l’Université de Strasbourg), premier auteur de l’étude, ont permis d’identifier les oxydes de cobalt (CoO) et de nickel (NiO), deux matériaux bien accessibles au Québec, comme cocatalyseurs efficaces pour la dissociation de la molécule d’eau.
En les comparant, les équipes de recherche ont pu démontrer que les nanoparticules de CoO (ayant une taille de 20 nm ou moins) permettaient de décupler l’efficacité photocatalytique, sous la lumière visible, de ces nouvelles électrodes nanodécorées par rapport aux nanotubes seuls. Cette amélioration remarquable est attribuable aux propriétés optoélectroniques des nanoparticules de CoO qui permettent une meilleure circulation des photocharges électriques (produites par la lumière) avec l’électrode de TiO2 sous-jacente.
À propos de l’étude
L’article « Comparative study of the photocatalytic effects of pulsed laser deposited CoO and NiO nanoparticles onto TiO2 nanotubes for the photoelectrochemical water splitting », par Thomas Favet, Thomas Cottineau, Valérie Keller et My Ali El Khakani, a été publié en novembre 2020 dans la revue Solar Energy Materials and Solar Cells. Les chercheuses et les chercheurs ont reçu du soutien financier du Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada (CRSNG) et du Fonds de recherche du Québec — Nature et technologies (FRQNT). Le projet a aussi été partiellement financé, du côté français, par l’Agence nationale de la recherche (ANR). Le doctorant Thomas Favet a également profité d’une bourse conjointe de la région Alsace et de l’INRS.
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