Aéré et efficace
Des chercheurs de l'ETH ont développé un nouveau photocatalyseur à partir d'un aérogel qui pourrait permettre une production d'hydrogène plus efficace. Cela est rendu possible par un prétraitement raffiné du matériau.
Les aérogels sont des matériaux extraordinaires qui ont réussi à entrer dans le Guinness Book des records avec plus d'une douzaine d'entrées, notamment en tant que solides les plus légers du monde.
Depuis longtemps, le professeur de l'ETH Markus Niederberger, du laboratoire des matériaux multifonctionnels, travaille lui aussi avec ces substances particulières. La spécialité de son laboratoire sont les aérogels de nanoparticules semi-conductrices cristallines. "Nous sommes le seul groupe au monde à pouvoir fabriquer de tels aérogels avec une qualité aussi élevée", dit-il.
Les aérogels à base de nanoparticules servent par exemple de photocatalyseurs. Ils sont utilisés lorsqu'une réaction chimique doit être rendue possible ou accélérée à l'aide de la lumière solaire, par exemple pour la production d'hydrogène.
Le matériau de choix pour les photocatalyseurs est le dioxyde de titane (TiO2). Mais celui-ci présente un inconvénient majeur : il ne peut absorber que la partie UV du spectre de la lumière du jour, et celle-ci ne représente qu'environ 5 pour cent. Or, si l'on veut que la photocatalyse soit efficace et utilisable dans l'industrie, un tel catalyseur doit pouvoir utiliser un spectre plus large.
Elargir le spectre avec le dopage à l'azote
La doctorante de Niederberger, Junggou Kwon, a donc cherché une nouvelle fa?on d'intégrer un aérogel de TiO2-Nanoparticules afin qu'il puisse utiliser un spectre lumineux plus large. Et elle a eu une idée lumineuse : si le TiO2-Si l'aérogel de nanoparticules est ensemencé (ou dopé dans le jargon technique) avec de l'azote, de sorte que certains atomes d'oxygène sont remplacés par des atomes d'azote dans le matériau, l'aérogel peut également absorber d'autres parties de la lumière visible. La structure des pores n'est pas détruite. L'étude vient d'être publiée dans la revue spécialisée "Applied Materials & Interfaces".
Kwon a d'abord présenté l'aérogel avec TiO2-et de petites quantités de palladium, un métal précieux. Ce dernier est important pour la production photocatalytique d'hydrogène. Elle a ensuite fait passer du gaz ammoniac dans un réacteur à travers l'aérogel. Cela a entra?né la formation d'atomes d'azote individuels dans la structure cristalline des particules de TiO2-Nanoparticules intégrées.
Un aérogel modifié rend la réaction plus efficace
Pour vérifier si l'aérogel ainsi modifié rendait effectivement plus efficace une réaction chimique souhaitée - en l'occurrence la production d'hydrogène à partir de méthanol et d'eau -, Kwon a mis au point un réacteur spécial dans lequel elle a directement inséré l'aérogel en tant que pièce entière (monolithe). Elle a ensuite fait passer un mélange de gaz composé de vapeur d'eau et de méthanol à travers l'aérogel se trouvant dans le réacteur, qui a été éclairé par deux lampes LED. Le mélange de gaz se diffuse à travers l'espace poreux de l'aérogel, où il se dépose à la surface des particules de TiO2- et des nanoparticules de palladium en l'hydrogène souhaité.
La réaction s'est déroulée de manière stable et continue dans ce système de test, avant que la chercheuse n'interrompe l'expérience au bout de cinq jours. "Il est probable que le processus aurait été stable plus longtemps", explique Niederberger. "En particulier dans la perspective d'applications industrielles, il est important que le processus soit stable le plus longtemps possible". Les chercheurs sont également satisfaits du rendement. Le palladium, un métal précieux, a en outre nettement augmenté l'efficacité de la transformation : dans les aérogels contenant du palladium, il s'est produit jusqu'à 70 fois plus d'hydrogène que dans ceux qui n'en contiennent pas.
Augmenter le flux de gaz
Cette expérience a surtout servi aux chercheurs d'étude de faisabilité. Les photocatalyseurs en aérogels représentent une nouvelle classe de photocatalyseurs qui offrent une structure tridimensionnelle exceptionnelle et qui, outre la production d'hydrogène, entrent en ligne de compte pour de nombreuses autres réactions intéressantes en phase gazeuse. Par rapport à l'électrolyse utilisée aujourd'hui, les photocatalyseurs ont l'avantage de permettre la production d'hydrogène uniquement avec de la lumière et sans électricité.
On ne sait pas encore si l'aérogel développé par le groupe de Niederberger sera un jour utilisé à grande échelle. La question de savoir comment accélérer le flux de gaz à travers l'aérogel n'est par exemple pas résolue. Actuellement, les pores extrêmement petits entravent trop fortement le flux de gaz. "Pour pouvoir exploiter un tel système à l'échelle industrielle, nous devons d'abord augmenter le débit de gaz et aussi améliorer l'irradiation des aérogels", explique Niederberger. Avec son groupe, il travaille déjà sur ces questions.
Un matériau comme une "fumée congelée
Les aérogels sont des matériaux extraordinaires. Extrêmement légers et poreux, ils se distinguent par une surface énorme : un gramme de matériau peut avoir une surface de 1200 mètres carrés. En raison de leur transparence, les aérogels ressemblent à de la "fumée congelée". Ils sont d'excellents isolants thermiques et sont donc utilisés dans l'aérospatiale. Ils sont également de plus en plus utilisés pour l'isolation thermique des b?timents. Leur production reste toutefois gourmande en énergie. Par conséquent, les matériaux sont chers. Le chimiste Samuel Kistler a fabriqué le premier aérogel à partir de silice en 1931.
Référence bibliographique
Kwon J, Choi K, Schreck M, Liu T, Tervoort E, Niederberger M : Dopage à l'azote en phase gazeuse des nanoparticules monolithiques de TiO2 Nanoparticle-Based Aerogels for Efficient Visible Light-Driven Photocatalytic H2 Production . ACS Applied Materials & Interfaces 2021 13 (45), 53691-53701. page externeDOI : 10.1021/acsami.1c12579