Une équipe convertit l’eau en hydrogène grâce à la photosynthèse

Nous sommes à l’aube de la conversion de l’hydrogène combustible économiquement réalisable.

La croissance économique mondiale s’accompagne d’une demande accrue d’énergie. Mais notre planète est sur le point de succomber aux habitudes de nos proches. C’est ici que des solutions énergétiques efficaces et écologiques entrent en jeu.

Les scientifiques de l’Institut de technologie d’Israël ont mis au point une technique de conversion de l’énergie solaire en carburant d’une efficacité record. Leur idée est de mettre en œuvre les mécanismes de la photosynthèse pour pousser l’efficacité de la conversion énergétique vers de nouveaux sommets.

Dr Lilac Amirav, chercheuse principale de l’étude, déclare : « Nous voulons fabriquer un système photocatalytique qui utilise la lumière du Soleil pour déclencher des réactions chimiques d’importance environnementale. Elle et son groupe à l’Institut de technologie d’Israël sont en train de concevoir un photocatalyseur qui peut éliminer et isoler l’hydrogène de l’eau. »

Elle explique : « Lorsque nous plaçons nos nanoparticules en forme de bâtonnets dans l’eau et que nous les éclairons, elles génèrent des charges électriques positives et négatives », et ajoute : « Les molécules d’eau se brisent ; les charges négatives produisent de l’hydrogène (réduction), et les charges positives de l’oxygène (oxydation). Les deux réactions, impliquant les charges positives et négatives, doivent avoir lieu simultanément. Sans tirer parti des charges positives, les charges négatives ne peuvent pas être acheminées pour produire l’hydrogène souhaité. »

Bien que, comme nous le savons tous, les contraires s’attirent. Si les charges positives et négatives trouvent l’occasion de fusionner, elles s’excluent mutuellement, ne nous laissant rien. Il est donc nécessaire de conserver des particules ayant des propriétés de charge différentes.

Pour ce faire, l’équipe a conçu des hétérostructures uniques qui comprennent différents semi-conducteurs ainsi que des catalyseurs en métal et en oxyde de métal. Ils ont construit un système modèle pour étudier l’oxydation et la réduction qui se produisent et ont optimisé leurs hétérostructures pour une meilleure performance.

Dans le cadre d’une recherche menée en 2016, la même équipe a conçu une autre hétérostructure. Le point quantique de séléniure de cadmium à une extrémité a attiré une charge positive tandis qu’une charge négative s’est accumulée de l’autre côté.

Amirav a déclaré : « En ajustant la taille du point quantique et la longueur de la tige, ainsi que d’autres paramètres, nous avons obtenu une conversion à 100 % de la lumière du soleil en hydrogène à partir de la réduction de l’eau. » Dans ce système, une seule nanoparticule de photocatalyseur pourrait produire 360 000 molécules d’hydrogène par heure.

Mais dans cette étude plus ancienne, seule la partie réduction de la réaction a été étudiée. Pour qu’un convertisseur solaire-carburant fonctionne, nous devons également traiter l’autre partie, l’oxydation. Amirav remarque: « Nous ne convertissions pas encore l’énergie solaire en carburant », et précise : « Nous avions encore besoin d’une réaction d’oxydation qui fournirait continuellement des électrons au point quantique. »

C’est un défi important de parcourir le processus d’oxydation de l’eau car il comporte de multiples étapes. De plus, les sous-produits des réactions s’écartent du résultat en compromettant la stabilité du semi-conducteur.

Dans leur dernière étude, ils ont adopté une approche différente. Cette fois, au lieu de l’eau, ils ont utilisé un composé appelé benzylamine pour la partie d’oxydation. De cette façon, l’eau se réduit en hydrogène et en oxygène tandis que la benzylamine se transforme en benzaldéhyde. Le Département américain de l’énergie définit 5 à 10 % comme le « seuil de faisabilité pratique ». L’efficacité maximale de cette méthode a été évaluée à 4,2 %.

Les chercheurs se tournent vers d’autres composés qui pourraient s’avérer viables pour la conversion solaire-chimique. Avec l’IA de leur côté, ils recherchent des composés qui conviendraient bien à ce processus. Amirav note que ce processus a été fructueux jusqu’à présent.

Les résultats de l’étude seront présentés lors de la Fall 2020 Meeting and Expo held by the American Chemical Society.

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Source : Interesting Engineering – Traduit par Anguille sous roche