Un nouveau dispositif photocatalytique de séparation de l’eau promet une conversion directe et bon marché de la lumière du soleil et de l’eau en hydrogène.
Des chercheurs de l’UMich (Université du Michigan aux Etats-Unis) ont mis au point un dispositif de photosynthèse artificielle dix fois plus efficace et cent fois plus petit que les dispositifs précédents de ce type. Cette méthode verte de production d’hydrogène s’améliore également avec le temps et peut fractionner l’eau de mer.
Nous sommes une planète solaire ; la grande majorité de l’énergie nécessaire à la vie sur Terre provient du soleil – et une grande partie de cette énergie, y compris les aliments et les combustibles fossiles, est le résultat de la photosynthèse végétale – la conversion de la lumière du soleil, de l’eau et du dioxyde de carbone en oxygène et en sucres. La première étape chimique de la photosynthèse se produit dans la chlorophylle qui donne aux feuilles leur couleur verte – et cette étape est en fait une opération de division de l’eau qui décompose H2O en oxygène, qui est libéré dans l’air (merci, les plantes), et en ions hydrogène chargés positivement, qui dirigent le reste du processus et permettent finalement aux plantes de stocker de l’énergie sous forme de glucides.
L’évolution a livré un cadeau extraordinaire avec la photosynthèse, et alors que l’humanité s’efforce de se libérer des effets secondaires nocifs des combustibles fossiles, les chercheurs s’efforcent de reproduire, voire d’améliorer, cette première étape, dans l’espoir de mettre au point des techniques de photosynthèse artificielle qui, selon certains, seront un jour le moyen le moins cher de produire de l’hydrogène vert, destiné à être utilisé comme moyen de stockage de l’énergie.
« En fin de compte, nous pensons que les dispositifs de photosynthèse artificielle seront beaucoup plus efficaces que la photosynthèse naturelle, ce qui ouvrira la voie à la neutralité carbone », explique Zetian Mi, professeur d’ingénierie électrique et informatique à l’université du Michigan.
Zetian Mi et son équipe viennent de publier un article dans Nature sur ce qu’ils considèrent comme une avancée majeure dans la photosynthèse artificielle. L’équipe a fait la démonstration d’un nouveau semi-conducteur photocatalytique de séparation de l’eau qui exploite un large spectre de lumière solaire, y compris le spectre infrarouge, pour séparer l’eau avec une efficacité solide de 9 % – une amélioration presque décuplée par rapport aux autres dispositifs de ce type – et il s’agit d’un dispositif minuscule et relativement abordable qui s’améliore plutôt que de se dégrader avec le temps.
Le dispositif a été testé en utilisant une lentille de la taille d’une fenêtre pour concentrer la lumière du soleil.
« Nous avons réduit la taille du semi-conducteur de plus de 100 fois par rapport à certains semi-conducteurs ne fonctionnant qu’à faible intensité lumineuse », a déclaré Peng Zhou, chercheur en génie électrique et informatique et premier auteur de l’étude. « L’hydrogène produit par notre technologie pourrait être très bon marché ».
La nouvelle technologie utilise la lumière concentrée du soleil – une option qui n’est pas disponible pour de nombreux autres dispositifs de photosynthèse artificielle, car la lumière à haute intensité et les températures élevées ont tendance à les faire tomber en panne. Mais le semi-conducteur de l’UMich – annoncé par une autre équipe l’année dernière et fabriqué à partir de nanostructures de nitrure de gallium et d’indium cultivées sur une surface de silicium – ne se contente pas de résister extrêmement bien à la lumière et à la chaleur, il améliore même son efficacité de production d’hydrogène au fil du temps.
Le photocatalyseur, fabriqué à partir de nanostructures de nitrure d’indium et de gallium cultivées sur une surface de silicium, présente des propriétés d’auto-réparation et peut résister à une concentration de lumière solaire équivalente à 160 soleils.
Là où d’autres systèmes visent à éviter la chaleur, ce dispositif en dépend. Le semi-conducteur absorbe les longueurs d’onde de lumière à haute fréquence pour alimenter son processus de séparation de l’eau, et il est placé dans une chambre sur laquelle coule de l’eau. Une lumière infrarouge de plus basse fréquence est utilisée pour chauffer la chambre à environ 70 °C, ce qui accélère la réaction de séparation de l’eau tout en supprimant la tendance des molécules d’hydrogène et d’oxygène à se recombiner en molécules d’eau avant de pouvoir être collectées séparément.
Le dispositif a atteint une efficacité de 9 % lors de tests idéalisés en laboratoire avec de l’eau purifiée. En passant à l’eau du robinet, il a atteint environ 7 %. Et lors d’un test en extérieur simulant un système de fractionnement de l’eau photocatalytique à grande échelle alimenté par la lumière naturelle du soleil, largement variable, il a atteint une efficacité de 6,2 %.
Ces chiffres d’efficacité photocatalytique sont inférieurs à ceux de certains dispositifs photoélectrochimiques dont nous avons parlé, comme la cellule de l’ANU (17,6 %) ou le dispositif de l’université Monash (22 %), qui bat tous les records. Les objectifs techniques ultimes du ministère américain de l’énergie pour la production d’hydrogène sont un rendement de 25 % pour les systèmes photoélectrochimiques et de 10 % pour les systèmes photocatalytiques à double lit, ce qui représente un coût compétitif de l’hydrogène d’environ 2,10 dollars par kilo, comme calculé en 2011.
Selon l’équipe, le semi-conducteur unique du dispositif s’améliore, au lieu de se dégrader, lorsqu’il est exposé à une lumière solaire intense et à des températures élevées.
Le plus intéressant est peut-être le fait que l’efficacité de 7 % du dispositif de l’UMich pour l’eau du robinet est également valable pour la séparation de l’eau de mer. L’eau douce est loin d’être une ressource infinie ; elle est déjà très rare dans de nombreuses régions, et l’on s’attend à ce qu’elle devienne encore plus rare et précieuse dans les décennies à venir. Ainsi, un dispositif photocatalytique capable d’extraire l’hydrogène de l’eau de mer sans avoir besoin d’un apport d’énergie externe autre que la lumière du soleil pourrait changer la donne à l’ère de la décarbonisation.
L’équipe indique qu’elle s’efforce d’améliorer l’efficacité de ses recherches futures, ainsi que la pureté de l’hydrogène qui en sort, mais certaines parties de la propriété intellectuelle développée ici ont déjà été cédées sous licence aux entreprises dérivées de UMich, NS Nanotech et NX Fuels.
« Les matériaux que nous utilisons, explique M. Mi, le nitrure de gallium et le silicium, peuvent également être produits à grande échelle, et nous pouvons tirer parti de l’infrastructure actuelle pour produire de l’hydrogène vert à faible coût à l’avenir. »
Comme toujours, c’est la viabilité commerciale qui déterminera le sort de ce dispositif. Pour fonctionner à grande échelle, l’hydrogène vert doit être compétitif en termes de coûts non seulement par rapport à l’hydrogène sale produit à partir du méthane, mais aussi par rapport aux combustibles fossiles bon marché eux-mêmes. Cette méthode fait appel à certains métaux rares, comme le gallium et l’indium, mais le coût est considérablement réduit par la taille minuscule des semi-conducteurs nécessaires. Nous attendons avec impatience de voir comment elle se comportera en utilisation industrielle.
https://www.nature.com/articles/s41586-022-05399-1
https://news.engin.umich.edu/2023/01/cheap-sustainable-hydrogen-through-solar-power/
