Dans les réactions d'hydrogénation de l'industrie chimique, le craquage de l'hydrogène nécessite généralement des températures et des pressions élevées, consommant beaucoup d'énergie et augmentant les risques de sécurité. Depuis longtemps, parvenir à un craquage efficace de l’hydrogène dans des conditions de température normales constitue un objectif important exploré par les scientifiques.
Selon les dernières nouvelles de l'Académie chinoise des sciences, l'objectif de dissociation efficace de l'hydrogène gazeux à température ambiante a été atteint par les scientifiques chinois comme une première mondiale, ce qui réduira considérablement la consommation d'énergie dans les processus d'hydrogénation traditionnels, diminuera les émissions de dioxyde de carbone et contribuera à l'utilisation optimisée des ressources en carbone dans l'industrie chimique.
Ce nouveau progrès révolutionnaire dans le domaine de la division photocatalytique de l'hydrogène a été réalisé par une équipe dirigée par le chercheur Wang Feng de l'Institut de physique chimique de Dalian, Académie chinoise des sciences, en collaboration avec le professeur Paolo Fornasiero de l'Université de Trieste, en Italie, entre autres. Le document de recherche correspondant a été publié en ligne dans la revue universitaire de renommée internationale « Science » aux premières heures du 5 septembre, heure de Pékin.
Le chercheur Wang Feng, auteur de la correspondance pour l'article, a expliqué que les réactions d'hydrogénation sont l'une des réactions importantes dans l'industrie chimique, impliquant au moins une étape d'hydrogénation dans environ un quart des processus de réaction chimique. L’une des étapes principales des réactions d’hydrogénation est l’activation de l’hydrogène, qui comprend à la fois des mécanismes homolytiques et hétérolytiques. Parmi eux, le clivage hétérolytique de l'hydrogène produit des espèces polaires d'hydrogène, caractérisées par une réactivité élevée et une hydrogénation sélective des groupes fonctionnels polaires, augmentant ainsi le taux de génération de nombreux produits chimiques importants et réduisant les réactions secondaires.
Dans cette étude, l'équipe de recherche a percé la méthode de conversion photocatalytique précédemment développée qui induit des demi--réactions d'électrons et de trous photoexcités « indépendamment », en proposant d'utiliser des électrons et des trous photoexcités pour construire des centres de charge positifs et négatifs spatialement adjacents, réalisant ainsi une hétérolyse de l'hydrogène dans des conditions ambiantes.
L’équipe de recherche a utilisé l’or/dioxyde de titane comme catalyseur modèle. En excitant le dioxyde de titane avec la lumière ultraviolette, les électrons générés peuvent être transférés vers les nanoparticules d'or et y être piégés. Pendant ce temps, il existe des états de défaut composés d'or-oxygène-titane à l'interface entre les nanoparticules d'or et le dioxyde de titane, où des trous photogénérés peuvent être piégés. À ce stade, les trous et les électrons sont situés respectivement à l'interface or-oxygène-titane et aux nanoparticules d'or, formant des paires d'électrons-trous liés spatialement adjacents. Par conséquent, lorsque le mécanisme des paires d'électrons -trous liés domine la photodissociation de l'hydrogène, l'activité de l'or/dioxyde de titane dans la catalyse de la photodissociation de l'hydrogène augmente linéairement avec une intensité lumineuse plus forte.
Par la suite, l'équipe de recherche a vérifié les avantages de cette hydrogénation induite par la lumière grâce à une réaction de réduction du dioxyde de carbone inerte, découvrant que les espèces d'hydrogène générées peuvent convertir complètement le dioxyde de carbone inerte à température ambiante, le seul produit étant l'éthane. Ensuite, grâce à un dispositif qui convertit l'éthane en éthylène, le dioxyde de carbone peut être réduit quantitativement en éthylène et le catalyseur peut fonctionner de manière stable pendant plus de 1 500 heures sans désactivation.
L’équipe de recherche a souligné que le dernier développement de la méthode photocatalytique pour la division de l’hydrogène peut être étendu aux photocatalyseurs d’oxydes dopés à l’or/azote, à l’oxyde d’or/cérium et au vanadate d’or/bismuth, et qu’il peut également utiliser la lumière du soleil pour réaliser l’hydrogénation du dioxyde de carbone en éthane, avec une sélectivité de 90 %.
Wang Feng a déclaré que grâce au craquage non{{0}thermique de l'hydrogène à température ambiante, en utilisant l'hydrogène et le dioxyde de carbone comme matières premières pour produire des produits à haute-valeur-ajoutée tels que l'éthane et l'éthylène, des réductions significatives de la consommation d'énergie et des émissions seront obtenues, contribuant ainsi à l'utilisation optimisée des ressources en carbone dans l'industrie chimique.
Il a révélé qu'à l'avenir, l'équipe de recherche mènerait des études approfondies sur les processus de réaction, dans l'espoir de développer une voie technologique industrielle associant la lumière et l'énergie photothermique sur cette base, fournissant ainsi un nouveau modèle pour la mise à niveau et la transformation des industries chimiques modernes du charbon.
Source : Service de presse chinois