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Un nouveau matériau purifie l'eau et produit de l'hydrogène
Des chercheurs de l'Institut des sciences et du génie chimique de l'EPFL ont développé un système photocatalytique basé sur un matériau appartenant à la classe des structures organométalliques. Le système peut être utilisé pour dégrader les polluants présents dans l'eau, tout en produisant simultanément de l'hydrogène qui peut être capturé en vue d'un usage futur.
Les structures organométalliques (metal-organic frameworks en anglais, ou MOF) comptent aujourd'hui parmi les matériaux les plus utiles et les plus polyvalents. Ils constituent une classe de matériaux qui présentent une polyvalence structurelle, une porosité élevée et des propriétés optiques et électroniques fascinantes - des qualités qui en font des candidats prometteurs pour une variété d'applications, notamment la capture et la séparation de gaz, des capteurs, et la photocatalyse.
Du fait que les MOF sont à ce point polyvalents, tant dans leur configuration structurelle que dans leur utilité, les spécialistes en sciences des matériaux les testent dans de nombreuses applications chimiques. L'une de celles-ci est la photocatalyse, un procédé dans lequel un matériau photosensible est excité par la lumière. Le surplus d'énergie absorbée déloge les électrons de leur orbite atomique, laissant derrière eux des « trous d’électrons ». La génération de ces paires de trous d'électrons est un processus essentiel dans n'importe quel processus énergétique dépendant de la lumière et, dans le cas présent, il permet aux MOF d'agir sur un grand nombre de réactions chimiques.
Une équipe de scientifiques de l'EPFL, dirigée par Kyriakos Stylianou au Laboratoire de simulation moléculaire, vient de développer un système fondé sur les MOF qui peut accomplir non pas un, mais deux types de photocatalyse simultanément : production d'hydrogène, et élimination des polluants dans l'eau. Le matériau contient du phosphure de nickel, qui est abondant et bon marché, et capable d’accomplir une photocatalyse efficace en lumière visible, qui constitue 44% du spectre solaire.
Le premier type de catalyse, la production d'hydrogène, implique une réaction appelée « craquage de l’eau ». Comme son nom le suggère, la réaction divise les molécules d'eau en leurs constituants : l'hydrogène et l'oxygène. L'une des principales applications qui en découlent, c'est l'utilisation de l'hydrogène dans des piles à combustible, des dispositifs de production d'énergie utilisés dans un grand nombre de technologies aujourd'hui, y compris les satellites et les navettes spatiales.
Le second type de photocatalyse est appelé « dégradation des polluants organiques », en référence aux processus qui éliminent les polluants présents dans l'eau. Les scientifiques ont mis à l'épreuve ce système photocatalytique novateur basé sur les MOF pour dégrader le colorant toxique rhodamine B, que l'on utilise couramment pour simuler des polluants organiques.
Les scientifiques ont effectué les deux tests en séquence, et démontré que le système photocatalytique fondé sur les MOF était capable d'intégrer, en un processus unique, la génération photocatalytique d'hydrogène à la dégradation de la rhodamine B. Cela signifie qu'il est désormais possible d'utiliser ce système photocatalytique aussi bien pour éliminer les polluants de l'eau que pour produire, simultanément, de l'hydrogène pouvant être utilisé comme carburant.
« Ce système photocatalytique sans métaux nobles rapproche un peu plus le domaine de la photocatalyse d'applications pratiques utilisant l'énergie solaire, et démontre le grand potentiel des MOF dans ce domaine », souligne Kyriakos Stylianou.
Autres contributions
University College, Londres
Fonds National Suisse
NCCR-MARVEL
Stavroula Kampouri, Tu N. Nguyen, Mariana Spodaryk, Robert G. Palgrave, Andreas Züttel, Berend Smit, Kyriakos C. Stylianou. Concurrent Photocatalytic Hydrogen Generation and Dye Degradation Using MIL-125-NH2 under Visible Light Irradiation. Advanced Functional Materials 05 November 2018. DOI: 10.1002/adfm.201806368