Ressource #4 du dossier Pop’Sciences – CNRS : « ANNÉE DE L’INGENIERIE – Quand l’ingénierie façonne la recherche scientifique » ARTICLE 

Méthode permettant d’accélérer une réaction chimique grâce à l’absorption de la lumière, la photocatalyse peut trouver des applications dans bien des domaines. Depuis plus d’une décennie, des chimistes lyonnais s’efforcent d’améliorer les performances de ce procédé catalytique dans le but de faire émerger de nouvelles applications dans le traitement des eaux usées et la production d’hydrogène vert.

Grain d’oxyde de titane. Photographie prise au microscope électronique à balayage. © Didier COT / CNRS Images

Composants clés de l’industrie électronique, les semi-conducteurs sont devenus indispensables au fonctionnement de nos ordinateurs et de nos smartphones. Le développement de nombreuses autres technologies comme le solaire photovoltaïque dépendent également de l’utilisation de ces matériaux présentant une conductivité électrique intermédiaire située entre les matériaux isolants et les métaux. Si le silicium reste de loin le semi-conducteur le plus répandu, il existe bien d’autres matériaux disposant d’aptitudes similaires. C’est par exemple le cas de l’oxyde de titane (TiO₂), un semi-conducteur privilégié pour effectuer les réactions de photocatalyse. Au sein de l’Institut de recherche sur la catalyse et l’environnement (Ircelyon)¹ le chimiste CNRS Gilles Berhault étudie depuis plusieurs années la possibilité d’activer le TiO₂  à partir d’une source lumineuse. Ainsi irradié, le semi-conducteur produit des espèces chimiques actives, pouvant notamment servir à éliminer les polluants contenus dans les eaux usées provenant d’un hôpital. Outre ce domaine de recherche lié à la dépollution de notre environnement, initialement exploré par les scientifiques du laboratoire, des travaux débutés plus récemment visent à étudier la possibilité de produire également de l’hydrogène en faisant interagir ce même semi-conducteur à base de TiO₂ avec la lumière.

De nouvelles espèces chimiques très actives

Bien que ces deux perspectives d’application puissent sembler très éloignées l’une de l’autre, elles reposent pourtant sur le même principe. « L’irradiation d’un semi-conducteur par une source lumineuse provoque l’éjection d’un électron de sa bande de valence vers sa bande de conduction² , explique le scientifique. Cela donne lieu à la formation d’une lacune appelée trou se comportant comme une charge positive dans la bande de valence de l’atome ayant perdu l’électron tandis que cette particule chargée négativement rejoint la bande de conduction. » C’est finalement par la création de ces deux nouvelles espèces chimiques très actives, que les scientifiques nomment « paires électron-trou », que des réactions susceptibles de dégrader des polluants ou de produire de d’hydrogène peuvent émerger. Ces paires électron-trou nouvellement créées ont toutefois tendance à se recombiner continuellement les unes avec les autres. Or ces phénomènes de recombinaison réduisent de manière drastique l’activité du semi-conducteur. Afin de renforcer la stabilité des paires électron-trou, l’équipe de Gilles Berhault a donc testé la possibilité d’adjoindre au semi-conducteur TiO₂ un composant ferroélectrique.

Stimuler la photocatalyse en combinant les matériaux

Cette classe de matériaux a en effet tendance à se polariser spontanément, ce qui se traduit par une séparation permanente des charges électriques positives et négatives au niveau de la structure macroscopique du matériau. Les électrons produits dans un semi-conducteur combiné à un ferroélectrique vont alors avoir tendance à se diriger vers la partie de ce matériau chargée positivement. Dans le même temps, les lacunes, qui sont chargées positivement, vont être attirées vers sa partie chargée négativement. « Parce qu’il contribue à éloigner l’électron du trou qu’il a laissé dans la bande de valence, l’ajout d’un élément ferroélectrique permet de limiter le processus de recombinaison. Les paires électron-trou étant alors davantage disponibles pour participer à la réaction de photocatalyse, l’efficacité de cette dernière est censée augmenter de façon significative », souligne Gilles Berhault.

Pour le vérifier, les chimistes lyonnais ont eu recours à du titanate de baryum (BaTiO₃). Ce matériau cristallin à la structure cubique présente deux phases distinctes : une où il est ferroélectrique et une autre où il ne l’est pas. Le fait que le BaTiO₃ existe sous ces deux formes permet ainsi de mesurer le bénéfice du caractère ferroélectrique lors d’une réaction de photocatalyse. Après avoir déposé du TIO₂ sur des échantillons de BaTiO₃ appartenant à chacune des deux catégories, l’équipe a exposé ces matériaux hybrides à un rayonnement ultraviolet.

Photocatalyse: produire de l’hydrogène vert grâce à la lumière © Emilie Josse

La photo-thermo-catalyse se profile à l’horizon

Un premier protocole expérimental destiné à mesurer l’apport de la ferroélectricité dans la dégradation de polluants, s’est déroulé en présence d’acide formique³. Une analyse menée en parallèle a également permis d’estimer la production d’hydrogène à partir de ces mêmes matériaux hybrides : « En ce qui concerne la dégradation des polluants, les systèmes combinant le semi-conducteur avec un ferroélectrique se sont avérés jusqu’à 2,5 fois plus actifs que les systèmes non-ferroélectriques. Pour le volet production d’hydrogène, ces mêmes systèmes ferroélectriques ont démontré une activité jusqu’à vingt fois supérieure aux systèmes qui ne disposaient pas de cette propriété », détaille Gilles Berhault. De premières études visant à estimer le niveau de rendement d’un tel procédé employé à des fins de production d’hydrogène laissent entrevoir une multiplication par cinq à dix par rapport aux méthodes actuellement utilisées en photocatalyse.

Réacteur photocatalytique fonctionnant sous température (120°C) et pression (5 bars) pour la production d’hydrogène – Le réacteur est illuminé par le bas à partir d’une lampe LED Philips PL-L 18W UVA © Gilles Berhault

Dans le but d’augmenter encore ce gain de productivité, une nouvelle approche scientifique est d’ores et déjà envisagée par les chimistes de l’Ircelyon. Celle-ci consiste à combiner un ferroélectrique avec un TiO₂ et un MXène⁴. Disposant à la fois d’une bonne conductivité électrique et d’une bonne conductivité thermique, les MXènes sont à même d’augmenter le transfert de chaleur ajouté à un processus de photocatalyse et lui permettre ainsi de fonctionner encore plus efficacement. « La principale difficulté de ce nouvel axe de recherche qui vise à recourir à la photo-thermo-catalyse pour atteindre un niveau de production d’hydrogène encore plus élevé sera de parvenir à faire fonctionner en synergie les gains positifs associés à chacun de ces trois matériaux », précise Gilles Berhault.

Si les scientifiques parviennent à relever ce défi, l’utilisation de ce procédé pour produire de l’hydrogène vert pourrait notamment être envisagée à partir des déchets végétaux générés par une exploitation agricole dans la perspective d’assurer son autonomie  .

Article rédigé par Grégory Fléchet, journaliste scientifique – janvier 2026

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¹ Unité CNRS/Université Claude Bernard Lyon 1

² La bande de valence correspond à la bande d’énergie où se situent les électrons contribuant à la cohésion entre atomes voisins au sein d’un même matériau solide. Dans un semi-conducteur, la bande de valence est relativement proche d’une autre bande d’énergie appelée bande de conduction dans laquelle certains électrons peuvent migrer lorsque le matériau est soumis à un apport d’énergie par chauffage, application d’un champ électromagnétique ou irradiation lumineuse.

³ Ce composé organique est une molécule modèle employée pour déterminer la capacité d’un photocatalyseur à éliminer des polluants présents en milieu aqueux. La dégradation de l’acide formique correspond en effet à l’étape ultime de minéralisation (dégradation complète) d’une vaste famille de polluants présentant des caractéristiques similaires à l’acide formique.

⁴ Composés bidimensionnels en forme de feuillets découverts en 2011, les MXènes disposent d’un large éventail de propriétés en raison de la grande variété d’atomes susceptibles de les constituer.

Ces recherches ont été financées en tout ou partie, par l’Agence Nationale de la Recherche (ANR) au titre du projet ANR-APRICOT-AAPG2022. Cette communication est réalisée et financée dans le cadre de l’appel à projet Sciences Avec et Pour la Société – Culture Scientifique Technique et Industrielle pour les projets JCJC et PRC des appels à projets génériques 2022 (SAPS-CSTI-JCJ et PRC AAPG 22).

Ressource #5 du dossier Pop’Sciences – CNRS : « Physique : une recherche multimillénaire, sans cesse renouvelée »
ARTICLE 

Un projet de recherche allie chimie et physique pour exploiter les propriétés de la lumière et du molybdène, métal abondant et peu coûteux, afin de catalyser des réactions chimiques clés dans le cadre de la transition énergétique. 

Poudre de clusters métalliques de molybdène sous irradiation UV-A pour des applications dans le domaine de l’énergie (éclairage, affichage) © Jean-Claude MOSCHETTI / ISCR / CNRS Images

La photocatalyse est un procédé qui permet d’accélérer une réaction chimique grâce à l’absorption de lumière. Une technique qui peut être appliquée de manière intéressante dans le contexte de la transition énergétique, notamment dans l’optique de piéger chimiquement du CO₂, un des gaz à effet de serre les plus notoires. Habituellement, le catalyseur utilisé est à base de dioxyde de titane (TiO₂), auquel de l’or ou du platine peuvent être ajoutés pour doper le procédé de manière significative. Mais la classification du TiO₂ comme « cancérogène possible » et le coût excessif ainsi que la rareté des deux autres métaux nobles incitent la communauté scientifique à chercher des alternatives.  

C’est le chemin que prend un consortium de chimistes et de physiciens de l’Institut lumière matière à Lyon¹ et de l’Institut des sciences chimiques de Rennes², avec leurs travaux sur des agrégats de molybdène, un métal blanc argenté peu onéreux, abondant et qui présente un potentiel de catalyse prometteur. 

Un matériau catalyseur joue le rôle d’intermédiaire dans une réaction entre deux réactifs, en facilitant la réaction sans besoin d’apporter trop d’énergie.

Dans le cas de la photocatalyse, l’apport d’énergie se fait par l’absorption de photons. 

L’originalité de ces recherches, auxquelles participe Luke MacAleese, chercheur à l’Institut lumière matière, réside dans une approche pluridisciplinaire du sujet à la frontière de la chimie et de la physique. Des scientifiques des deux disciplines se sont associés pour « explorer et comprendre les mécanismes réactionnels élémentaires associés à cette famille de catalyseurs ». Leur méthode fait intervenir différentes techniques de pointe : la spectrométrie de masse de type piège à ion – voir plus bas – en association avec des rayonnements laser induisant des photons dont les longueurs d’onde se situent dans les domaines de l’ultraviolet (100 nm – 400 nm), du visible (400 nm – 750 nm). 

La photocatalyse utile à la production d’énergie décarbonnée / © Émilie Josse

Tendre un piège à ion  

Le premier défi consiste à sélectionner et attirer les ions d’agrégats de molybdène dans un piège radiofréquence. Ce piège est rempli d’un gaz inerte (hélium) et d’une proportion parfaitement contrôlée d’un réactif à tester comme le dioxygène (O₂) ou le dioxyde de carbone (CO₂).  Cette approche permet à Luke MacAleese et ses collègues chimistes « d’observer les agrégats évoluer dans cet environnement très contrôlé, durant des temps de réaction longs, jusqu’à plusieurs dizaines de secondes ». Grâce à la spectrométrie de masse et aux lasers, les scientifiques peuvent sélectionner un ion à partir d’un mélange complexe, caractériser sa masse, puis « sonder sa réactivité spécifique ».  

Cette technique d’analyse repose sur la détection et la séparation d’ions en fonction de leur rapport masse/charge, comme un trieur de pièces de monnaie qui séparerait les pièces en fonction de leur poids. La spectrométrie de masse fournit des informations sur la composition élémentaire des différents ions présents dans l’échantillon et leur abondance relative. Ce faisant, elle révèle des informations cruciales sur les mécanismes réactionnels et le cycle catalytique de nouvelles espèces métalliques, telles que les agrégats de molybdène. 

La spectrométrie de masse pour caractériser les catalyseurs / © Émilie Josse

Comprendre et optimiser les processus catalytiques 

Pour Luke MacAleese, il est « beaucoup plus rationnel d’améliorer les propriétés d’un catalyseur en comprenant les étapes qui sous-tendent le procédé ». Les physiciens et les chimistes s’attachent donc à étudier comment un réactif se lie au catalyseur, ce qu’il provoque, comment il réagit, et quels sont les intermédiaires potentiels au processus chimique de catalyse. « Nous cherchons également à connaitre le spectre d’absorption des agrégats de molybdène », poursuit-il. Cette étape de la recherche est essentielle puisqu’elle permet d’évaluer leur capacité à absorber la lumière et à « atteindre des états excités ». C‘est seulement dans ces états que peuvent se déclencher des réactions chimiques avec d’autres réactifs présents dans leur environnement, comme le CO₂ ou l’eau.  

Connaitre précisément ce spectre d’absorption permet d’étudier l’efficacité des agrégats de molybdène et d’optimiser leur activité catalytique. Par exemple, en ajustant la longueur d’onde de la lumière utilisée pour irradier les clusters, les scientifiques peuvent cibler spécifiquement les transitions électroniques qui mènent aux états excités les plus réactifs et améliorer ainsi les performances photocatalytiques. 

La transition énergétique en ligne de mire 

Ces travaux ouvrent la voie à des applications potentielles dans le domaine de l’énergie renouvelable et de la réduction des gaz à effet de serre. En effet, les résultats obtenus jusqu’à présent montrent que les clusters de molybdène pourraient être de bons candidats « photo-catalyseurs » pour deux réactions chimiques utiles à la production d’énergie décarbonée. Il s’agit de la production d’hydrogène par photolyse de l’eau et de la conversion (réduction) du CO₂ en produit chimique de base comme le méthanol (CH₃OH). Les scientifiques ont notamment observé une potentielle rupture de liaison carbone-oxygène pendant le processus d’irradiation d’agrégats réduits (riches en électrons) et très réactifs avec l’oxygène. Ces résultats prometteurs laissent espérer qu’il sera également possible de réduire le CO₂ par liaison avec ces clusters photo-excités.  

« D’autres expériences doivent être menées pour confirmer et approfondir ces résultats », tempère immédiatement le physicien lyonnais. À l’heure actuelle, ces agrégats de molybdène sont en effet faiblement catalytiques comparativement aux alternatives incorporant de l’or ou du platine. Cependant, les scientifiques sont déterminés à poursuivre leurs travaux fondamentaux afin de comprendre l’origine de la réactivité de ces clusters, d’optimiser leur composition et d’atteindre, à terme, des rendements exploitables.  

La transition énergétique repose sur trois piliers : la sobriété, l’efficacité énergétique et la décarbonation des procédés techniques polluants. Les travaux du consortium lyonno-rennais s’inscrivent pleinement dans cette dernière catégorie. Ils témoignent de l’importance de la recherche fondamentale et des collaborations interdisciplinaires pour relever les défis énergétiques et environnementaux auxquels notre société est confrontée. 

Article rédigé par Samuel Belaud, journaliste scientifique – juin 2024

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[1] Unité de recherche CNRS, Université Claude Bernard Lyon 1.

[2] Unité de recherche CNRS, ENSC Rennes, Université Rennes.

Ces recherches ont été financées en tout ou partie, par l’Agence Nationale de la Recherche (ANR) au titre du projet ANR-Photocat-AAPG2020. Cette communication est réalisée et financée dans le cadre de l’appel à projet Sciences Avec et Pour la Société – Culture Scientifique Technique et Industrielle pour les projets JCJC et PRC des appels à projets génériques 2020 (SAPS-CSTI-JCJ et PRC AAPG 20).