Le séparateur d’eau solaire-hydrogène est 14 fois plus performant que la meilleure technologie suivante Le dispositif photochimique peut désormais fonctionner jusqu’à 100 jours.
L’utilisation d’une photoanode TiO2 semi-transparente permet à la photocathode SiC d’utiliser la lumière transmise. L’utilisation de photocatalyseurs présentant des écarts énergétiques différents permet d’accroître le rendement de conversion.
Pour transformer l’eau en hydrogène à grande échelle, nous avons besoin de technologies durables, efficaces et évolutives. L’utilisation de l’énergie solaire (ou d’autres sources d’énergie renouvelables) pour fractionner l’eau est synonyme de durabilité, tandis que des recherches récentes ont permis de réaliser des avancées majeures en matière d’efficacité et d’évolutivité. Aujourd’hui, des chercheurs japonais affirment avoir franchi une étape importante vers la durabilité.
Aujourd’hui, l’hydrogène provient essentiellement du gaz naturel, qui rejette beaucoup de carbone et de méthane dans l’atmosphère. En revanche, l’approche durable de la conversion du soleil en hydrogène s’est concentrée sur la séparation de l’eau par photoélectrochimie (PEC). Dans les systèmes PEC, qui ne génèrent théoriquement aucun gaz à effet de serre, des matériaux catalytiques spéciaux absorbent la lumière du soleil pour séparer directement l’eau en hydrogène et en oxygène. Mais ces dispositifs ont également été limités par leur faible efficacité et leur durée de vie. Alors que les technologies PEC précédentes ne duraient généralement qu’une semaine environ, le nouveau système a une durée de vie nettement supérieure.
« Nous avons confirmé une durabilité de 100 jours, ce qui est l’une des périodes les plus longues parmi les matériaux de séparation de l’eau PEC confirmés expérimentalement », déclare Masashi Kato, professeur d’ingénierie électrique et mécanique à l’Institut de technologie de Nagoya. La durabilité sera essentielle pour les systèmes sans entretien qui peuvent être installés dans des endroits éloignés, ajoute-t-il.
La recherche et les technologies de l’hydrogène vert ont pris de l’ampleur dans le monde entier. Plusieurs entreprises et initiatives le produisent en utilisant l’électricité éolienne ou solaire pour fractionner l’eau par électrolyse.
Le fractionnement solaire direct de l’eau à l’aide de PEC est un moyen plus élégant, en une seule étape, d’exploiter l’énergie solaire pour la production d’hydrogène. Mais elle s’est avérée difficile à réaliser à grande échelle. Les dispositifs ne sont pas encore assez bon marché, efficaces ou durables pour sortir du laboratoire.
Les photocatalyseurs font le gros du travail dans les dispositifs PEC. Masashi Kato et ses collègues ont conçu un dispositif PEC en tandem qui utilise deux électrodes recouvertes chacune d’un catalyseur différent. L’un est le dioxyde de titane, un matériau couramment utilisé dans la peinture blanche et les écrans solaires, et l’autre est un carbure de silicium cubique que l’équipe de Kato a développé et présenté précédemment.
Les deux catalyseurs absorbent différentes parties du spectre lumineux et fonctionnent de manière complémentaire pour séparer l’eau. Le dioxyde de titane est un photocatalyseur de type n, qui absorbe la lumière ultraviolette et génère des électrons, déclenchant des réactions chimiques qui produisent de l’oxygène. Quant au carbure de silicium que les chercheurs ont fabriqué, c’est un catalyseur de type p qui absorbe la lumière visible pour produire de l’hydrogène.
Ensemble, les deux réactions s’entretiennent mutuellement pendant un certain temps pour séparer l’eau en hydrogène et en oxygène lorsqu’une tension est appliquée aux bornes du dispositif placé dans l’eau. Il en résulte une longévité multipliée par cinq par rapport aux technologies précédentes, ce qui permet d’atteindre un fonctionnement de 100 jours, précise Masashi Kato.
Le rendement du système présenté dans la revue Solar Energy Materials and Solar Cells est relativement faible (0,74 %). La plupart des technologies de conversion du soleil en hydrogène ont atteint des rendements de l’ordre de 1 à 2 %, mais certaines équipes de recherche ont obtenu des rendements nettement supérieurs. Des chercheurs italiens et israéliens ont récemment fait état d’une méthode qui exploite des nanorobots semi-conducteurs surmontés de sphères de platine qui convertissent près de 4 % de l’énergie solaire en hydrogène.
En 2019, une équipe de recherche belge de la KU Leuven a présenté un prototype de panneau solaire qui absorbe l’humidité de l’air et la décompose en hydrogène et en oxygène avec un rendement de 15 %. Selon le ministère américain de l’Énergie, une efficacité de 5 à 10 % devrait être suffisante pour un système pratique d’hydrogène solaire.
Selon Masashi Kato, c’est l’électrode en dioxyde de titane qui limite l’efficacité du système, et l’équipe cherche maintenant d’autres photocatalyseurs pour améliorer l’efficacité, qui fonctionneraient toujours de concert avec l’électrode en carbure de silicium. Cependant, la combinaison de la durabilité et de l’efficacité de leur dispositif le distingue toujours, dit-il.
https://spectrum.ieee.org/solar-hydrogen-converter-outlasts-next-best-by-14x
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0927024821003032?via%3Dihub#!
