Des scientifiques de l’Université du Michigan (UMich) ont publié dans la revue Nature les résultats de leurs recherches sur l’invention d’un dispositif fondé sur un semi-conducteur photocatalytique qui permet de décomposer les molécules d’eau. L’appareil utilise un large spectre de la lumière du soleil, dont le spectre infrarouge pour séparer l’eau. Selon les résultats, le dispositif serait près de 10 fois plus efficace et jusqu’à 100 fois plus petit que les autres appareils du même genre. D’après les auteurs de l’étude, l’appareil aurait une efficacité allant jusqu’à 9 % et cela pourrait encore s’améliorer au fil du temps.
Une innovation qui exploite la lumière directe du soleil
Une grande partie de l’énergie nécessaire à la vie sur Terre est obtenue à partir de l’énergie du soleil. En effet, la nourriture aussi bien que les combustibles fossiles proviennent en grande partie de la photosynthèse végétale qui convertit la lumière du soleil, le dioxyde de carbone et l’eau en oxygène et en sucre. Lors du processus de photosynthèse, la molécule d’eau est décomposée en oxygène et en hydrogène. L’oxygène est ensuite libéré dans l’air tandis que les ions d’hydrogène chargés positivement permettent à la plante de stocker de l’énergie sous forme de glucides. Le nouveau dispositif développé par l’équipe de l’UMich utilise la lumière solaire concentrée pour séparer les constituants des molécules d’eau.
Il s’agit d’une première dans le domaine, car la plupart des appareils de photosynthèse artificielle ne peuvent pas fonctionner avec des températures trop élevées et de la lumière à haute intensité. Le nouveau semi-conducteur a été fabriqué à partir de nanostructures de nitrure d’indium et de gallium cultivées sur une surface de silicium. À l’inverse de nombreux appareils de photosynthèse artificielle, le nouveau dispositif est particulièrement résistant à la lumière et à la chaleur du soleil. Il peut supporter l’équivalent d’une lumière produite par 160 soleils. De plus, cela pourrait même améliorer son efficacité pour la production d’hydrogène au fil du temps.
Le fonctionnement du dispositif
L’appareil inventé par l’équipe de l’UMich dépend de la chaleur du soleil pour fonctionner. En effet, pour alimenter son processus de décomposition de l’eau, il a besoin d’absorber les longueurs d’onde de la lumière à haute fréquence. Tout le processus se déroule dans une chambre avec de l’eau qui coule par-dessus. Pour accélérer la réaction de décomposition de l’eau, la chambre est chauffée à 70 °C avec la lumière infrarouge à basse fréquence.
Cela permet également d’éviter la recombinaison des molécules d’oxygène et d’hydrogène avant qu’elles ne soient collectées séparément. Les chercheurs ont obtenu une efficacité de 9 % avec de l’eau purifiée et de 7 % avec de l’eau du robinet durant les tests en laboratoire. L’efficacité a été de 6,2 % lors d’un test en extérieur qui simulait un système photocatalytique à grande échelle alimenté par la lumière naturelle variable du soleil. Ces taux d’efficacité sont plutôt faibles par rapport à ceux d’autres appareils photo-électrochimiques. Cependant, ces derniers ont des coûts nettement plus élevés et ont besoin de cellules photovoltaïques pour alimenter la séparation électrochimique de l’eau.
Un avenir prometteur pour la production d’hydrogène vert
L’avantage de cette innovation est qu’elle peut décomposer l’eau de mer avec une efficacité équivalente à celle de l’eau du robinet, et ce, sans nul besoin d’un apport d’énergie externe autre que la lumière du soleil. C’est un excellent potentiel puisque l’eau douce est devenue de moins en moins abondante ces dernières années. Bien que la technologie utilise des métaux rares, dont le gallium et l’indium pour la fabrication des semi-conducteurs, la taille considérablement réduite de ces derniers pourrait contribuer à une production d’hydrogène vert bon marché. L’équipe de l’UMich espère améliorer davantage l’efficacité du dispositif ainsi que la pureté de l’hydrogène produit à l’avenir. Plus d’informations : news.engin.umich.edu