Vers un hydrogène solaire plus propre et moins cher : l’atout des polymères conjugués face au platine

Dans la quête mondiale pour une énergie propre et durable, l’hydrogène vert est l’une des solutions énergétiques les plus prometteuses. Ne produisant que de l’eau comme sous-produit lors de sa combustion, il s’inscrit en effet comme une composante clé des systèmes énergétiques renouvelables de demain. Pourtant, pour que la production d’hydrogène à grande échelle devienne réellement viable, plusieurs obstacles techniques et économiques doivent encore être surmontés, en particulier celui de l’usage de métaux précieux comme le platine.

Platine dans la production d’hydrogène : un frein au développement de cette énergie

Le platine est en effet aujourd’hui un composant clé dans les photocatalyseurs classiques utilisés pour convertir l’énergie solaire en hydrogène. Il sert de co-catalyseur pour accélérer la réaction de production d’hydrogène à partir de l’eau. Cependant, ce métal précieux est rare, cher et énergétiquement coûteux à extraire. Sa production est de plus concentrée dans seulement quelques régions du monde, ce qui pose des risques en termes d’approvisionnement, de dépendance stratégique et d’impact environnemental. Des limitations qui ont longtemps freiné la généralisation des technologies solaires à l’échelle industrielle.

Développer des alternatives au platine est donc considéré comme un objectif majeur de la recherche énergétique actuelle.

Une équipe de chercheurs de la Chalmers University of Technology en Suède vient toutefois de franchir un cap important dans ce domaine. Dans une étude publiée dans Advanced Materials, les scientifiques présentent une méthode de production d’hydrogène à partir de la lumière solaire sans recourir au platine, en utilisant à la place des nanoparticules de plastique conducteur d’électricité, appelées polymères conjugués. Cette innovation pourrait ouvrir la voie à une production d’hydrogène plus efficace, plus durable et significativement moins coûteuse.

Les polymères conjugués, des substituts au platine très efficaces

Les polymères conjugués sont une classe de semi-conducteurs organiques, analogues aux semi-conducteurs inorganiques comme le silicium. Ils ont été découverts dans les années 1970. Leurs propriétés électriques étonnantes malgré leur nature plastique leur ont d’ailleurs fait remporter le prix Nobel de Chimie en 2000.

Dans cette nouvelle approche, les chercheurs ont conçu des polymères conjugués peu coûteux autour d’unités moléculaires spécifiques – notamment à base de dibenzothiophène-S,S-sulfoxyde (BTSO) – et les ont transformés en nanoparticules dispersables dans l’eau par nanoprécipitation. Cette structure leur permet d’interagir efficacement avec la lumière solaire et de catalyser la production d’hydrogène sans avoir recours à un co-catalyseur métallique comme le platine.

Les premiers tests sont plutôt encourageants : ils montrent que ces nanoparticules sont capables de produire de l’hydrogène avec une efficacité très élevée. « Avec seulement un gramme de polymère, nous avons pu produire 30 litres d’hydrogène en une heure », annonce Alexandre Holmes, auteur principal de l’étude. Dans les essais en laboratoire, l’efficacité du processus est d’ailleurs visuellement impressionnante : lorsque les nanoparticules de plastique conducteur sont dispersées dans un bécher d’eau exposé à une lampe simulant la lumière du soleil, des bulles d’hydrogène se forment presque immédiatement. Plus précisément, des taux de production de plus de 209 mmol de H₂ par gramme de photocatalyseur par heure ont été observés, ce qui représente une performance comparable à certains systèmes traditionnels utilisant du platine.

Fort de ces résultats, les chercheurs ne comptent désormais pas s’arrêter en si bon chemin. Leur prochain objectif est en effet de s’affranchir d’un autre composant coûteux : la vitamine C.

Vers une production réellement durable

Actuellement, la vitamine C (acide ascorbique) est ainsi utilisée comme agent sacrificiel antioxydant. La vitamine C, en tant que donneur d’électrons, empêche en effet la réaction de s’enliser, ce qui permet d’obtenir en laboratoire des taux élevés de production d’hydrogène. Mais dans l’idéal, les chercheurs aimeraient obtenir un procédé reposant uniquement sur la lumière du soleil et l’eau, en s’affranchissant de l’aide de la vitamine C ou de tout autre produit chimique, dans le but de produire de l’hydrogène solaire réellement durable et de bas coût.

« Supprimer le recours au platine dans ce système constitue une étape importante vers une production d’hydrogène durable pour la société. Nous commençons désormais à explorer des matériaux et des stratégies visant à réaliser la dissociation complète de l’eau sans additifs. Cela nécessitera encore quelques années, mais nous pensons être sur la bonne voie », s’enthousiasme Ergang Wang, professeur du Département de Chimie et d’Ingénierie Chimique à Chalmers.

Si ces technologies continuent de progresser, elles pourraient réduire drastiquement le coût de production de l’hydrogène solaire et aider à surmonter l’un des principaux goulots d’étranglement de la transition énergétique actuelle, offrant ainsi une voie vers une énergie propre plus accessible et plus durable dans le futur.