Récolter plus d'énergie solaire avec des supercristaux bidimensionnels

Lorsqu'Emiliano Cortés part à la recherche de la lumière du soleil, il n'utilise pas de gigantesques miroirs ni de tentaculaires fermes solaires. Bien au contraire, le professeur de physique expérimentale et de conversion d’énergie du LMU plonge dans le nanocosmos.

“Là où les particules de haute énergie de la lumière solaire, les photons, rencontrent les structures atomiques, c'est là que commencent nos recherches”, explique Cortés. “Nous travaillons sur des solutions matérielles pour capter et utiliser l'énergie solaire plus efficacement.”

Ses découvertes ont un grand potentiel car elles permettent de créer de nouvelles cellules solaires et photocatalyseurs. L’industrie place de grands espoirs dans ces derniers car ils peuvent rendre l’énergie lumineuse accessible pour les réactions chimiques, en contournant le besoin de produire de l’électricité. Mais l'utilisation de la lumière solaire présente un défi majeur, auquel les cellules solaires doivent également faire face, comme le sait Cortés : « La lumière du soleil arrive sur Terre « diluée », de sorte que l'énergie par zone est relativement faible. Les panneaux solaires compensent cela en couvrant de grandes surfaces.

Cependant, Cortés aborde le problème dans une direction opposée, pour ainsi dire. Avec son équipe du Nano-Institut du LMU, il développe des nanostructures dites plasmoniques qui peuvent être utilisées pour concentrer l'énergie solaire.

Dans la revue Catalyse naturelleCortés, en collaboration avec le Dr Matías Herran, maintenant à l'Institut Fritz Haber de Berlin, et des partenaires de coopération de l'Université libre de Berlin et de l'Université de Hambourg, présentent un supercristal bidimensionnel qui génère de l'hydrogène à partir de l'acide formique à l'aide de la lumière du soleil. .

“En fait, ce matériau est si remarquable qu'il détient le record mondial de production d'hydrogène à partir de la lumière solaire”, souligne Cortés. C’est une bonne nouvelle pour la production de photocatalyseurs et d’hydrogène comme vecteur énergétique, car ils jouent un rôle important dans une transition énergétique réussie.

Concentration de l'énergie solaire avec des aimants miniatures

Pour leur supercristal, Cortés et Herrán utilisent deux métaux différents au format nanométrique. “Nous créons d'abord des particules de l'ordre de 10 à 200 nanomètres à partir d'un métal plasmonique, qui dans notre cas est l'or”, explique Herrán.

“À cette échelle, un phénomène particulier se produit avec les métaux plasmoniques, qui comprennent également l'argent, le cuivre, l'aluminium et le magnésium : la lumière visible interagit très fortement avec les électrons du métal, les faisant osciller de manière résonante.” Cela signifie que les électrons se déplacent collectivement très rapidement d’un côté à l’autre de la nanoparticule, créant ainsi une sorte de mini-aimant. Les experts appellent cela un moment dipolaire.

“Pour la lumière incidente, il s'agit d'un changement important, de sorte qu'elle interagit ensuite beaucoup plus fortement avec la nanoparticule métallique”, explique Cortés. “De manière analogue, on peut considérer le processus comme une super-lentille concentrant l'énergie. Nos nanomatériaux le font, mais à l'échelle moléculaire.” Cela permet aux nanoparticules de capter davantage de lumière solaire et de la convertir en électrons à très haute énergie. Ceux-ci, à leur tour, contribuent à déclencher des réactions chimiques.

Les nano hotspots libèrent leur pouvoir catalytique

Mais comment exploiter cette énergie ? À cette fin, les scientifiques du LMU se sont associés à des chercheurs de l’Université de Hambourg. Ils ont disposé les particules d’or de manière ordonnée sur une surface selon le principe d’auto-organisation. Les particules doivent être très proches mais sans se toucher pour maximiser les interactions lumière-matière. En collaboration avec une équipe de recherche de la Freie Universität Berlin, qui a étudié les propriétés optiques du matériau, les chercheurs du LMU ont découvert que l'absorption de la lumière augmentait plusieurs fois.

“Les réseaux de nanoparticules d'or concentrent la lumière entrante sur des champs électriques extrêmement efficaces, très localisés et puissants, appelés points chauds”, explique Herrán. Celles-ci se forment entre les particules d'or, ce qui a donné à Cortés et Herrán l'idée de placer des nanoparticules de platine, un matériau catalyseur classique et puissant, directement dans les espaces intermédiaires.

C'est encore une fois ce qu'a fait l'équipe de recherche de Hambourg. “Le platine n'est pas le matériau de choix pour la photocatalyse car il absorbe mal la lumière du soleil. Cependant, nous pouvons le forcer dans des points chauds pour améliorer cette absorption autrement médiocre et alimenter les réactions chimiques avec l'énergie lumineuse. Dans notre cas, la réaction convertit l'acide formique en hydrogène. “, explique Herrán. Avec un taux de production d'hydrogène à partir de l'acide formique de 139 millimoles par heure et par gramme de catalyseur, le matériau photocatalytique détient actuellement le record mondial de H2.₂ production avec la lumière du soleil.

Un élan pour une production d’hydrogène plus verte

Aujourd’hui, l’hydrogène est principalement produit à partir de combustibles fossiles, en particulier du gaz naturel. Pour passer à une production plus durable, des équipes de recherche du monde entier travaillent sur des technologies utilisant des matières premières alternatives, notamment l'acide formique, l'ammoniac et l'eau. L'accent est également mis sur le développement de réacteurs photocatalytiques adaptés à une production à grande échelle.

“Des solutions matérielles intelligentes comme les nôtres constituent un élément important du succès de la technologie”, ont déclaré les deux chercheurs. “En combinant des métaux plasmoniques et catalytiques, nous faisons progresser le développement de photocatalyseurs puissants pour les applications industrielles. Il s'agit d'une nouvelle façon d'utiliser la lumière du soleil et qui offre un potentiel pour d'autres réactions telles que la conversion du CO₂ en substances utilisables”, expliquent Cortés et Herrán. Les deux chercheurs ont déjà breveté leur développement matériel.