Le nouveau catalyseur est 10 fois plus efficace que les précédents dispositifs de séparation de l’eau alimentés par le soleil

Un nouveau type de panneau solaire, développé à l’Université du Michigan, a atteint une efficacité de 9 % dans la conversion de l’eau en hydrogène et en oxygène, imitant une étape cruciale de la photosynthèse naturelle. À l’extérieur, il représente une avancée majeure dans la technologie, près de 10 fois plus efficace que les expériences de séparation de l’eau solaires de ce type.

Mais le plus grand avantage est de réduire le coût de l’hydrogène durable. Ceci est rendu possible en rétrécissant le semi-conducteur, généralement la partie la plus chère du dispositif. Le semi-conducteur auto-cicatrisant de l’équipe résiste à une lumière concentrée équivalente à 160 soleils.

Actuellement, les humains produisent de l’hydrogène à partir du méthane de combustible fossile, en utilisant une grande quantité d’énergie fossile dans le processus. Cependant, les plantes récoltent les atomes d’hydrogène de l’eau en utilisant la lumière du soleil. Alors que l’humanité tente de réduire ses émissions de carbone, l’hydrogène est attrayant à la fois en tant que carburant autonome et en tant que composant de carburants durables fabriqués à partir de dioxyde de carbone recyclé. De même, il est nécessaire pour de nombreux processus chimiques, produisant des engrais par exemple.

“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”, a déclaré Zetian Mi, professeur de génie électrique et informatique à l’UM qui a dirigé l’étude rapportée dans La nature.

Le résultat exceptionnel provient de deux avancées. Le premier est la capacité de concentrer la lumière solaire sans détruire le semi-conducteur qui capte la lumière.

“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 à l’UM en génie électrique et informatique et premier auteur de l’étude. “L’hydrogène produit par notre technologie pourrait être très bon marché.”

Et la seconde utilise à la fois la partie énergétique la plus élevée du spectre solaire pour séparer l’eau et la partie inférieure du spectre pour fournir de la chaleur qui favorise la réaction. La magie est activée par un catalyseur semi-conducteur qui s’améliore avec l’utilisation, résistant à la dégradation que ces catalyseurs subissent généralement lorsqu’ils exploitent la lumière du soleil pour provoquer des réactions chimiques.

En plus de gérer des intensités lumineuses élevées, il peut prospérer à des températures élevées qui punissent les semi-conducteurs informatiques. Des températures plus élevées accélèrent le processus de séparation de l’eau, et la chaleur supplémentaire encourage également l’hydrogène et l’oxygène à rester séparés plutôt que de renouveler leurs liaisons et de former de l’eau une fois de plus. Ces deux éléments ont aidé l’équipe à récolter plus d’hydrogène.

Pour l’expérience en extérieur, Zhou a installé une lentille de la taille d’une fenêtre de maison pour concentrer la lumière du soleil sur un panneau expérimental de quelques centimètres de diamètre. Dans ce panneau, le catalyseur semi-conducteur était recouvert d’une couche d’eau, bouillonnant avec les gaz d’hydrogène et d’oxygène qu’il séparait.

Le catalyseur est constitué de nanostructures de nitrure d’indium et de gallium, développées sur une surface de silicium. Cette plaquette semi-conductrice capte la lumière, la convertissant en électrons libres et en trous – des espaces chargés positivement laissés derrière lorsque les électrons sont libérés par la lumière. Les nanostructures sont parsemées de billes de métal à l’échelle nanométrique, d’un diamètre de 1/2000e de millimètre, qui utilisent ces électrons et ces trous pour aider à diriger la réaction.

Une simple couche isolante au sommet du panneau maintient la température à 75 degrés Celsius ou 167 degrés Fahrenheit, suffisamment chaude pour aider à encourager la réaction tout en étant suffisamment froide pour que le catalyseur semi-conducteur fonctionne bien. La version extérieure de l’expérience, avec une lumière du soleil et une température moins fiables, a atteint une efficacité de 6,1 % pour transformer l’énergie du soleil en hydrogène. Cependant, à l’intérieur, le système a atteint une efficacité de 9 %.

Les prochains défis que l’équipe a l’intention de relever sont d’améliorer encore l’efficacité et d’obtenir de l’hydrogène de très haute pureté pouvant être directement introduit dans les piles à combustible.

Une partie de la propriété intellectuelle liée à ce travail a été concédée sous licence à NS Nanotech Inc. et NX Fuels Inc., qui ont été cofondées par Mi.