Craquage de l'eau par photocatalyse

Le craquage de l'eau par photocatalyse est un mode de craquage de l'eau faisant intervenir des photons suffisamment énergétiques pour cliver de manière électrochimique les molécules d'eau H₂O en hydrogène H₂ et oxygène O₂, selon une réaction chimique qui s'écrit simplement :

2 H₂O + 4 hν ⟶ 2 H₂ + O₂, l'énergie minimale des photons incidents étant E = hν > 1,23 eV.

Il s'agit d'une réaction fortement endothermique, qui consomme par conséquent de grandes quantités d'énergie. Pour cette raison, la production d'hydrogène par ce moyen reste expérimentale et l'hydrogène produit commercialement est issu principalement du gaz naturel. L'énergie minimale pour cliver une molécule d'eau à 1 atm et 25 °C étant 1,23 eV à pH nul, les photons requis ont une longueur d'onde ne pouvant dépasser 1 008 nm, ce qui correspond à l'infrarouge proche. Une telle réaction a été décrite pour la première fois en 1972 pour des longueurs d'onde inférieures à 190 nm.

L'intérêt de la photocatalyse par rapport à d'autres techniques de production d'hydrogène telles que l'électrolyse est sa simplicité théorique, qui ne requiert qu'un catalyseur, des photons d'énergie suffisante, et de l'eau. En pratique cependant, la réactions se utilise des dopants dans le photocatalyseur, et peut faire appel à des cocatalyseurs pour optimiser les performances du système. L'un des photocatalyseurs les plus connus est le dioxyde de titane TiO₂, qui est également le premier à avoir été identifié. Le dioxyde de titane est généralement utilisé avec un cocatalyseur tel que le platine pour améliorer le taux de production d'hydrogène. La plupart des semiconducteurs qui ont une structure de bandes convenant au craquage de l'eau absorbent plutôt les longueurs d'onde dans l'ultraviolet. Afin qu'ils absorbent les longueurs d'onde du spectre visible, il est nécessaire de réduire la largeur de leur bande interdite. Dans la mesure où leur bande de conduction est assez proche du potentiel de référence pour la formation de l'hydrogène, il est préférable de modifier leur bande de valence pour la rapprocher du potentiel de formation de l'oxygène.

Les photocatalyseurs sont susceptibles de se dégrader et de favoriser la recombinaison des porteurs aux conditions de fonctionnement. La dégradation du catalyseur est un problème avec les photocatalyseurs à sulfure tels que le sulfure de cadmium cdS car le sulfure y est oxydé en soufre aux mêmes potentiels que ceux utilisés pour cliver les molécules d'eau. De tels photocatalyseurs ne sont donc pas viables sans réactif sacrificiel qui compense les pertes en sulfure. La recombinaison des paires électron–trou nécessaire à la photocatalyse peut survenir avec n'importe quel catalyseur et dépend des défauts et de la surface du catalyseur ; il est par conséquent souhaitable d'avoir la meilleure qualité cristalline possible afin d'éviter les recombinaisons dans les défauts.

La conversion du rayonnement solaire en hydrogène par photocatalyse est en théorie plus simple que les systèmes en deux étapes de production d'électricité photovoltaïque suivie d'électrolyse de l'eau car les photocatalyseurs peuvent être mis directement en suspension dans l'eau pour y produire l'hydrogène.