Les chercheurs de l’Institute of Science Tokyo ont atteint une étape importante dans la production d’hydrogène solaire, en doublant l’efficacité grâce à un photocatalyseur sensibilisé capable de capter la lumière visible à longue longueur d’onde, jusqu’à 800 nanomètres. Cette plage du spectre, abondante et stable même par temps nuageux, avait été peu exploitée par les systèmes conventionnels.
L’étude, publiée dans ACS Catalysis, s’attaque directement à l’un des goulots d’étranglement historiques de la soi-disant photosynthèse artificielle.
Le défi de la photosynthèse artificielle
Produire de l’hydrogène à partir de l’eau en utilisant l’énergie solaire est un processus propre et élégant : sans émissions, sans combustion et sans carbone. Il repose sur des photocatalyseurs, des matériaux qui absorbent les photons et utilisent cette énergie pour diviser l’eau en hydrogène et oxygène.
Le problème est que la plupart des catalyseurs traditionnels ne profitent qu’à une partie limitée du spectre solaire, principalement la lumière visible à haute énergie, laissant de côté le rayonnement rouge et proche infrarouge, qui est en pratique le plus constant.
Osmium au lieu de ruthénium
L’équipe dirigée par le professeur Kazuhiko Maeda et la chercheuse Haruka Yamamoto a décidé de modifier un élément clé : le métal central du complexe photosensibilisateur. Au lieu du ruthénium, qui n’absorbe que jusqu’à 600 nm, ils ont introduit l’osmium.
Ce changement a permis de capter des longueurs d’onde beaucoup plus longues, proches de 800 nm, où le rayonnement solaire est abondant et moins dépendant des conditions idéales.
L’osmium introduit ce qu’on appelle l’effet d’atome lourd, qui facilite les transitions électroniques de basse énergie, en particulier les singulet-triplet.
Ces transitions permettent d’exciter des électrons avec des photons moins énergétiques, augmentant le nombre d’électrons disponibles pour stimuler la réaction de production d’hydrogène. Le résultat : jusqu’à deux fois plus d’efficacité par rapport aux systèmes basés sur le ruthénium.
Implications pratiques
Au-delà de la donnée technique, l’avancée répond à un besoin réel : la lumière solaire n’est pas toujours directe ni parfaite. Dans les villes, aux hautes latitudes ou par temps nuageux, le rayonnement diffus est toujours présent, surtout dans les longues longueurs d’onde.
Un photocatalyseur capable de fonctionner dans ces conditions peut opérer plus d’heures par jour, dans plus d’endroits et avec moins de dépendance à l’orientation ou à un nettoyage extrême.
Cela ouvre de nouveaux scénarios : production locale d’hydrogène, intégration dans les façades et toitures urbaines, ou systèmes hybrides avec le photovoltaïque conventionnel, en exploitant des plages du spectre aujourd’hui sous-utilisées.
Limitations et avenir
L’avancée ne signifie pas une révolution immédiate. L’osmium est un métal rare et coûteux, et il reste encore du travail pour optimiser la stabilité, les coûts et l’évolutivité. Cependant, cela représente un pont entre le laboratoire et le monde réel, démontrant qu’améliorer l’efficacité ne nécessite pas toujours des systèmes plus complexes, mais des matériaux mieux conçus.
L’hydrogène solaire comme vecteur énergétique
L’hydrogène produit avec l’énergie solaire est essentiel pour la décarbonisation. Il agit comme un vecteur énergétique qui stocke les excédents de renouvelables, réduit la dépendance aux combustibles fossiles et permet de décarboniser des secteurs difficiles à électrifier comme l’industrie lourde et le transport.
Parmi ses applications, on trouve :
- Stockage d’énergie : convertit l’intermittence solaire en énergie utilisable et stabilise le réseau électrique.
- Industrie propre : remplace le charbon et le gaz dans des processus comme l’acier, le ciment, l’ammoniac et le méthanol.
- Transport durable : alimente les véhicules par des piles à combustible, avec zéro émission polluante.
- Génération électrique : utilisé dans des piles à combustible pour des applications stationnaires et portables.
- Carburants synthétiques : peut être raffiné pour produire des alternatives renouvelables.
Ses avantages par rapport aux fossiles sont clairs : zéro émission, durabilité et polyvalence.
Le travail de l’équipe japonaise démontre qu’élargir le spectre utile de la photosynthèse artificielle a un impact pratique et mesurable. Bien que cela ne résolve pas tous les obstacles, cela place une pièce clé sur le chemin vers une économie bas carbone, rapprochant la technologie de l’hydrogène solaire d’une utilisation réelle et quotidienne.
