De l’hydrogène bon marché et durable grâce à l’énergie solaire

Un nouveau type de panneau solaire, mis au point à l’université du Michigan, a atteint une efficacité de 9% dans la conversion de l’eau en hydrogène et en oxygène, imitant ainsi une étape cruciale de la photosynthèse naturelle. À l’extérieur, cela représente une avancée majeure dans la technologie, près de 10 fois plus efficace que les expériences de fractionnement de l’eau solaire de ce type.

Mais le plus grand avantage est de faire baisser le coût de l’hydrogène durable. Cela est possible en réduisant le semi-conducteur, qui est généralement la partie la plus coûteuse du dispositif. Le semi-conducteur auto-réparateur de l’équipe résiste à une lumière concentrée équivalente à 160 soleils.

Actuellement, les humains produisent de l’hydrogène à partir du méthane, un combustible fossile, en utilisant une grande quantité d’énergie fossile dans le processus. En revanche, les plantes récoltent les atomes d’hydrogène de l’eau en utilisant la lumière du soleil. À l’heure où l’humanité tente de réduire ses émissions de carbone, l’hydrogène est intéressant à la fois comme carburant autonome et comme composant de carburants durables fabriqués à partir de dioxyde de carbone recyclé. De même, il est nécessaire pour de nombreux processus chimiques, comme la production d’engrais.

« Au final, 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 d’ingénierie électrique et informatique à l’U-M, qui a dirigé l’étude rapportée dans Nature.

Ce résultat exceptionnel est le fruit de deux avancées. La première est la capacité de concentrer la lumière du soleil 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 en génie électrique et informatique à l’U-M et premier auteur de l’étude. « L’hydrogène produit par notre technologie pourrait être très bon marché« .

La seconde consiste à utiliser à la fois la partie la plus énergétique du spectre solaire pour diviser l’eau et la partie la plus faible du spectre pour fournir la chaleur qui encourage la réaction. Cette magie est rendue possible par un catalyseur semi-conducteur qui s’améliore avec l’usage, résistant à la dégradation que subissent habituellement les catalyseurs qui exploitent la lumière du soleil pour provoquer des réactions chimiques.

En plus de supporter des intensités lumineuses élevées, il peut prospérer à des températures élevées, qui sont pénibles pour les semi-conducteurs des ordinateurs. Les températures 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 liens et de former de l’eau une nouvelle fois. Ces deux facteurs ont permis à l’équipe de récolter davantage d’hydrogène.

Pour l’expérience en plein air, 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. À l’intérieur de ce panneau, le catalyseur semi-conducteur était recouvert d’une couche d’eau, qui bouillonnait 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 tranche de semi-conducteur capte la lumière et la convertit en électrons libres et en trous – des espaces chargés positivement laissés par les électrons libérés par la lumière. Les nanostructures sont parsemées de boules de métal à l’échelle nanométrique, d’un 1/2000e de millimètre de diamètre, qui utilisent ces électrons et ces trous pour aider à diriger la réaction.

Une simple couche isolante sur le panneau maintient la température à 75 degrés Celsius (167 degrés Fahrenheit), suffisamment chaude pour favoriser la réaction tout en étant suffisamment froide pour que le catalyseur semi-conducteur fonctionne bien. La version extérieure de l’expérience, avec un ensoleillement et une température moins fiables, a atteint une efficacité de 6,1 % pour transformer l’énergie du soleil en hydrogène. En revanche, à l’intérieur, le système a atteint une efficacité de 9 %.

Les prochains défis que l’équipe entend relever sont l’amélioration de l’efficacité et l’obtention d’un hydrogène de très grande pureté pouvant être directement utilisé dans les piles à combustible.

Étude : Efficacité solaire-hydrogène de >9% dans la séparation photocatalytique de l’eau (DOI : 10.1038/s41586-022-05399-1)

Une partie de la propriété intellectuelle liée à ces travaux a été cédée sous licence à NS Nanotech Inc. et NX Fuels Inc. qui ont été cofondées par Mi. L’Université du Michigan et Mi ont un intérêt financier dans ces deux sociétés.

Ces travaux ont été soutenus par la National Science Foundation, le ministère de la Défense, le Michigan Translational Research and Commercialization Innovation Hub, le Blue Sky Program du College of Engineering de l’Université du Michigan et le Army Research Office.