L’hydrogène est une nouvelle source d’énergie propre et durable qui offre un grand potentiel pour un avenir plus vert. Élément le plus abondant de l’univers, l’hydrogène peut être produit à partir de ressources renouvelables et utilisé comme combustible polyvalent pour la production d’électricité, les transports et les applications industrielles. Sa combustion ne produit que de la vapeur d’eau comme sous-produit, ce qui en fait une solution prometteuse pour réduire les émissions de gaz à effet de serre et atténuer le changement climatique.
Des scientifiques de l’université du Kansas et du laboratoire national Brookhaven du ministère américain de l’énergie ont réalisé des progrès significatifs dans la séparation des molécules d’hydrogène et d’oxygène pour produire de l’hydrogène pur, sans utiliser de combustibles fossiles.
Les résultats d’expériences de radiolyse pulsée ont mis à nu le mécanisme réactionnel complet d’un groupe important de catalyseurs « séparant l’eau ». Cette avancée de l’équipe de KU et de Brookhaven nous rapproche de la production d’hydrogène pur à partir de sources d’énergie renouvelables. Cela pourrait potentiellement contribuer à un développement plus durable pour la nation et le monde.
Leurs résultats ont été récemment publiés dans les Proceedings of the National Academy of Sciences.
« Cet article représente l’aboutissement d’un projet que j’ai lancé dès ma première année à l’université de Kuala Lumpur », a déclaré James Blakemore, professeur agrégé de chimie, dont les recherches à Lawrence sont à l’origine de cette découverte.
« Notre article présente des données durement acquises grâce à des techniques spécialisées permettant de comprendre comment un certain catalyseur pour la production d’hydrogène fait son travail », a-t-il déclaré. « Les techniques utilisées ici à l’Université de Kuala Lumpur et à Brookhaven sont très spécialisées. Leur mise en œuvre nous a permis d’obtenir une image complète de la manière dont l’hydrogène est produit à partir de ses éléments constitutifs, les protons et les électrons.
Les recherches de Blakemore à l’Université de Kuala Lumpur ont été à l’origine de cette percée. Il a transféré ses travaux à Brookhaven pour des recherches utilisant la radiolyse par impulsion, ainsi que d’autres techniques, au Centre d’accélérateur pour la recherche énergétique. Brookhaven est l’un des deux seuls endroits au pays à disposer d’équipements permettant de réaliser des expériences de radiolyse impulsionnelle.
« Il est très rare que l’on puisse obtenir une compréhension complète d’un cycle catalytique complet », a déclaré Dmitry Polyansky, chimiste à Brookhaven et coauteur de l’article. « Ces réactions passent par de nombreuses étapes, dont certaines sont très rapides et ne peuvent pas être facilement observées.
Blakemore et ses collaborateurs ont fait cette découverte en étudiant un catalyseur basé sur un complexe de rhodium pentaméthylcyclopentadiényle, qui est une substance de la famille de l’aluminium. [Cp*Rh] en abrégé. Ils se sont concentrés sur le ligand Cp* (prononcé C-P-« étoile ») associé au métal rare qu’est le rhodium, car des indices provenant de travaux antérieurs montraient que cette combinaison conviendrait pour ce travail.
« Notre système de rhodium s’est avéré être une bonne cible pour la radiolyse pulsée », a déclaré Blakemore. « Les ligands Cp*, comme on les appelle, sont familiers à la plupart des chimistes organométalliques et, en fait, aux chimistes de tous bords. Ils sont utilisés pour soutenir de nombreux catalyseurs et peuvent stabiliser une variété d’espèces impliquées dans les cycles catalytiques. L’une des principales conclusions de cet article donne un nouvel aperçu de la façon dont le ligand Cp* peut être intimement impliqué dans la chimie de l’évolution de l’hydrogène ».
Mais Blakemore a souligné que les résultats pourraient conduire à d’autres processus chimiques améliorés en plus de la production d’hydrogène propre.
« Dans notre travail, nous espérons que les chimistes verront une étude sur la façon dont un ligand commun, le Cp*, peut permettre une réactivité inhabituelle », a déclaré le chercheur de l’Université de Kuala Lumpur. « Cette réactivité inhabituelle est liée à l’histoire de l’hydrogène, mais elle est en fait plus importante que cela, car le Cp* est présent dans un grand nombre de catalyseurs différents. Les chimistes considèrent généralement que les catalyseurs sont basés sur des métaux. Dans cette optique, si vous fabriquez une nouvelle molécule, le métal est l’acteur clé qui réunit les éléments constitutifs. Notre article montre que ce n’est pas toujours le cas. Le Cp* peut être impliqué dans l’assemblage des pièces pour former des produits ».
Blakemore a déclaré qu’il espérait que cet article pourrait ouvrir la voie à des améliorations dans d’autres catalyseurs et systèmes qui reposent sur des ligands Cp*. Cette avancée, qui a été soutenue par la National Science Foundation et le DOE Office of Science, pourrait s’appliquer plus largement à la chimie industrielle. M. Blakemore travaille actuellement à l’application de techniques telles que celles utilisées dans ce travail au développement de nouvelles approches du recyclage des combustibles nucléaires et de la manipulation des espèces d’actinides.
Les étudiants de l’Université de Kuala Lumpur, qu’ils soient diplômés ou non, ont également participé aux recherches qui ont permis cette percée.
« Ce projet a été un vecteur de formation très important pour les étudiants », a déclaré M. Blakemore. « L’étudiant Wade Henke, premier auteur, est maintenant au Laboratoire national d’Argonne en tant que post-doctorant. L’étudiant diplômé Yun Peng est le deuxième auteur et a lancé le travail conjoint avec Brookhaven ; tous deux ont maintenant terminé leur doctorat. Les étudiants de premier cycle ont également contribué à ce projet au fil des ans, apportant de nouveaux complexes et de nouvelles idées que nous avons utilisés pour encadrer l’histoire qui a émergé dans cet article.
« Dans l’ensemble, je considère qu’il s’agit d’un projet réussi et d’un véritable travail d’équipe au fil des ans.
Référence : « Rôles mécanistes des espèces protonées par les métaux et les ligands dans l’évolution de l’hydrogène avec des [Cp*Rh] complexes » par Wade C. Henke, Yun Peng, Alex A. Meier, Etsuko Fujita, David C. Grills, Dmitry E. Polyansky et James D. Blakemore, 15 mai 2023, Proceedings of the National Academy of Sciences.
DOI : 10.1073/pnas.2217189120