Les chercheurs derrière l’innovation. De gauche à droite : Dr Stener Lie, Dr Anupam Sadhu, Professeur Lydia H. Wong et Dr Hao Zhe Chun de l’École de science et d’ingénierie des matériaux de NTU. Crédit : NTU Singapour.
Ce dispositif, inspiré d’une feuille, produit de l’hydrogène et élimine simultanément un polluant industriel toxique.
Des scientifiques de l’Université technologique de Nanyang, à Singapour, ont conçu un dispositif qui capte la lumière du soleil pour produire de l’hydrogène propre à partir de l’eau de mer et dégrader simultanément l’hydrazine, un contaminant hautement toxique provenant des eaux usées industrielles.
Inspiré par les feuilles, ce dispositif capte directement la lumière du soleil et la convertit en électricité pour alimenter la réaction sans avoir besoin de sources d’énergie externes.
Cette innovation a été présentée dans la revue Nature Communications en mai.
Solution verte deux-en-un
Pour produire de l’hydrogène vert à partir de l’eau, un courant électrique est fait passer à travers l’eau entre deux électrodes, séparant les molécules d’eau en hydrogène et en oxygène – un processus connu sous le nom d’électrolyse.
Lors de l’électrolyse, les électrons circulent vers la cathode (électrode négative), où ils se combinent avec les molécules d’eau pour produire du dihydrogène.
La production d’hydrogène directement par électrolyse de l’eau de mer plutôt que de l’eau douce améliore sa durabilité car aucune étape supplémentaire de dessalage de l’eau de mer n’est nécessaire.
Cependant, l’eau de mer présente ses propres difficultés. Les ions chlorure qu’elle contient perturbent la réaction et en réduisent l’efficacité. De plus, des composés chlorés corrosifs et toxiques sont générés, susceptibles d’endommager les électrodes.
Pour améliorer l’efficacité de la production d’hydrogène à partir d’eau de mer, les chercheurs, dirigés par la professeure Lydia Wong de l’École des sciences et du génie des matériaux de l’Université technologique de Nanyang (NTU ), ont conçu une anode (cathode positive) contenant un catalyseur qui décompose l’hydrazine en hydrogène et en azote.
Cette réaction est moins énergivore que la réaction de production d’oxygène habituellement mise en œuvre lors de l’électrolyse de l’eau. Ainsi, la cathode, alimentée par l’énergie solaire, peut produire de l’hydrogène à partir de l’eau plus efficacement et avec une consommation d’énergie réduite, tandis que l’anode élimine l’hydrazine et produit de l’hydrogène supplémentaire.
Le catalyseur, contenant du fer, du cobalt et du chrome, est également résistant à la corrosion et ses propriétés électriques, physiques et chimiques peuvent être facilement personnalisées.
Parallèlement, la production de composés chlorés corrosifs et toxiques est réduite.
Catalyser un avenir durable
Pour produire l’électricité nécessaire au fonctionnement du dispositif, les chercheurs ont fabriqué la cathode à partir de pérovskites à base d’halogénures de plomb – un matériau semi-conducteur qui capte la lumière et la convertit en électricité. La cathode a été recouverte d’une résine époxy conductrice contenant des particules d’argent et de cuivre, ainsi que d’une feuille de titane pour la protéger de la dégradation.
Dans des échantillons d’eau de mer simulés et réels, le dispositif a généré un courant électrique stable à partir de la lumière. La densité de photocourant (25 mA cm⁻²) – soit la quantité de courant générée par unité de surface éclairée du dispositif – était également parmi les plus élevées rapportées pour les cathodes en pérovskite à base de plomb, ce qui témoigne de l’efficacité du dispositif pour convertir la lumière solaire en électricité.
Le dispositif a maintenu des performances stables pendant plus de 72 heures sous un éclairage équivalent à l’intensité du rayonnement solaire atteignant la surface de la Terre par temps clair, produisant de l’hydrogène à un taux élevé de 466 μmol cm⁻² h⁻¹ , comparable à celui de dispositifs similaires fonctionnant à l’énergie solaire. Il a efficacement dégradé l’hydrazine sans séparation de l’eau en 30 heures, réduisant sa concentration de 0,5 M (soit environ 1,6 % en masse) à 0,5 partie par milliard (ppb), plus de 20 fois inférieure à la limite admissible de 10 ppb fixée par l’Agence américaine de protection de l’environnement (EPA).
Ce dispositif produit un carburant propre et élimine simultanément les polluants. Crédit : NTU Singapour.
De l’hydrogène est produit à la fois à l’anode et à la cathode lorsque le dispositif est éclairé. Crédit : NTU Singapour.
« Ce dispositif à double fonction représente une avancée majeure pour la technologie environnementale. En captant efficacement l’énergie solaire pour décomposer un polluant industriel toxique tout en produisant simultanément un carburant propre, nous résolvons à la fois un problème énergétique et un problème de pollution », a déclaré le professeur Wong.
« La véritable avancée réside non seulement dans la production d’hydrogène solaire, mais aussi dans la démonstration d’une voie pratique vers des systèmes photoélectrochimiques multifonctionnels. De telles approches à double usage joueront probablement un rôle de plus en plus important dans le déploiement futur des technologies de carburants solaires, où valeur économique et impact environnemental doivent aller de pair », a déclaré le professeur James Durrant, professeur de photochimie et d’énergie durable au département de chimie de l’université d’Oxford, qui n’a pas participé à ces recherches.
Les chercheurs travaillent actuellement au développement de catalyseurs capables d’étendre les applications du dispositif au-delà de la dégradation de l’hydrazine, notamment au traitement d’autres polluants et à la conversion des déchets en produits utiles tels que des carburants et des produits chimiques industriels.
