Améliorer l'efficacité de la production durable de peroxyde d'hydrogène
Une équipe de chercheurs a mis au point un procédé optimisé permettant de produire du peroxyde d'hydrogène de manière plus durable
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Le peroxyde d’hydrogène (H₂O₂) est une matière première chimique polyvalente, dont la production industrielle repose principalement sur un procédé à forte intensité énergétique et à l’empreinte environnementale importante. Une alternative consiste à le produire à l’aide d’un catalyseur activé par la lumière. Dans le cadre d’un projet de recherche international auquel participe l’Institut Max Planck des colloïdes et des interfaces, des chercheurs ont désormais mis au point une stratégie de synthèse leur permettant de contrôler avec précision la disposition spatiale des ions dans un nitrure de carbone. Le photocatalyseur ainsi obtenu est trois fois plus efficace que les méthodes de production « vertes » conventionnelles. Ces résultats ont été publiés dans la revue Advanced Materials.
Anna Lo Presti et Christian Mark Pelicano travaillent sur le photocatalyseur en laboratoire.
© MPIKG/Neubauer
Le peroxyde d’hydrogène est un agent oxydant respectueux de l’environnement. Lorsqu’il se décompose, il ne produit que de l’eau et de l’oxygène, ce qui explique pourquoi on le qualifie également de « produit chimique vert ». Face à une demande croissante, notamment pour le traitement écologique des eaux usées et la désinfection domestique et médicale, les volumes de production ne cessent d’augmenter.
Pour répondre à cette demande, le peroxyde d’hydrogène est encore principalement produit selon le procédé dit « à l’anthraquinone », qui engendre des coûts énergétiques élevés et présente une empreinte carbone importante. La photocatalyse constitue une alternative prometteuse. Dans ce procédé, un matériau absorbe la lumière et utilise son énergie pour déclencher une réaction chimique sans recourir à l’énergie fossile. L’efficacité de la réaction dépend, entre autres, de la facilité avec laquelle les charges générées par la lumière peuvent se déplacer à travers le matériau et de la durée pendant laquelle elles restent disponibles pour déclencher la réaction.
Le groupe de recherche a donc cherché à déterminer comment ces propriétés pouvaient être influencées dès la phase d’assemblage chimique du photocatalyseur. « Au lieu de modifier la composition chimique d’un photocatalyseur pour le rendre plus efficace, nous avons essayé de modifier la disposition de ses éléments constitutifs », explique l’auteur correspondant, le Dr Christian M. Pelicano, qui dirige le groupe de recherche « SunThesis » à l’Institut Max Planck de Potsdam et mène des recherches sur ce sujet depuis 2023.
Pour y parvenir, les chercheurs ont utilisé des cocristaux ioniques organo-inorganiques. Ceux-ci permettent de prédire avec précision la répartition des ions lors de la transformation thermique des cristaux en matériau final. Grâce à cette approche, l’équipe a mis au point un matériau appelé « CALiK ». Il s’agit d’un nitrure de carbone cristallin appartenant à la classe des matériaux de type polyheptazine imide (PHI) et contenant des ions lithium et potassium dans un environnement spatialement contrôlé.
« Ces cristaux étaient déjà connus, mais nous avons été les premiers à les utiliser comme précurseurs de nitrures de carbone. Ce qui a retenu notre attention, c’est qu’ils contiennent les mêmes composants chimiques que les précurseurs que nous utilisons habituellement. La différence essentielle réside dans le fait que les ions sont déjà disposés d’une manière spécifique, et nous nous sommes demandé si cette disposition pouvait être transposée au matériau à base de nitrure de carbone », explique M. Pelicano.
Dans les méthodes de production conventionnelles, ces ions sont généralement introduits dans le matériau de manière désordonnée, à l’aide d’un sel fondu. Cela n’offre qu’un contrôle limité sur leur répartition spatiale. Des expériences comparatives avec des matériaux produits par d’autres méthodes ont aidé l’équipe à comprendre l’influence de la stratégie de synthèse choisie, indépendamment de la seule composition chimique.
Une disposition définie des ions améliore les performances photocatalytiques
Dans les conditions testées, le CALiK a produit environ trois fois plus de peroxyde d’hydrogène que le matériau de comparaison KPHI préparé de manière conventionnelle, et environ 40 % de plus que le matériau le plus performant testé, le CALi, qui ne contenait qu’un seul type de cation. Lorsqu’il est irradié par une lumière d’une longueur d’onde de 410 nanomètres, le CALiK a atteint un rendement quantique apparent de 58 %, le plus élevé parmi les catalyseurs comparés. Cette mesure décrit dans quelle mesure les photons de lumière utiles sont convertis en électrons pour entrer dans la réaction chimique.
« La disposition spatiale des ions dans le matériau optimisé fait une différence considérable », explique la première auteure, Anna Lo Presti, chimiste préparant son doctorat sur ce sujet à l’Institut Max Planck. « Nous avons pu démontrer pour la première fois que ce n’est pas seulement le type ou la quantité d’ions qui importe, mais aussi leur position dans le réseau cristallin. »
Pour comprendre les raisons de cette amélioration des performances, les chercheurs ont combiné des analyses structurelles à des mesures spectroscopiques et électrochimiques. Ils ont constaté que les charges générées par la lumière se séparent plus efficacement dans le CALiK et restent donc disponibles plus longtemps pour la réaction avec l’oxygène. Des calculs supplémentaires suggèrent que la distribution spatiale des ions lithium modifie l’environnement électronique au sein du matériau, facilitant ainsi l’activation de l’oxygène. Il convient toutefois de noter que ces calculs reposent sur des structures modèles simplifiées et ne reflètent donc pas encore pleinement les processus à l’œuvre dans le matériau réel. Néanmoins, cette étude propose une approche passionnante et intuitive pour optimiser les photocatalyseurs polymères dès leur synthèse.
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