Des scientifiques de l’Université Northwestern et de Caltech ont produit de l’électricité en faisant simplement couler de l’eau sur des couches extrêmement minces de métaux peu coûteux, dont le fer, qui se sont oxydés. Ces films représentent une toute nouvelle façon de produire de l’électricité et pourraient être utilisés pour développer de nouvelles formes de production d’énergie durable.
Les films ont une couche métallique conductrice (10 à 20 nanomètres d’épaisseur) qui est isolée par une couche d’oxyde (2 nanomètres d’épaisseur). Le courant est généré lorsque des impulsions d’eau de pluie et d’eau de mer alternent et traversent les nanocouches. La différence de salinité entraîne les électrons dans le métal en dessous.
« C’est la couche d’oxyde de l’ordre du nanomètre qui fait vraiment fonctionner cet appareil « , a déclaré Franz M. Geiger, professeur de chimie au Weinberg College of Arts and Sciences du Northwestern. « Au lieu de la corrosion, la présence des oxydes sur les métaux conduit à un mécanisme qui transporte les électrons. »
Les films sont transparents, une caractéristique qui pourrait être exploitée dans les cellules solaires. Les chercheurs ont l’intention d’étudier la méthode en utilisant d’autres liquides ioniques, dont le sang. Les développements dans ce domaine pourraient mener à l’utilisation dans les endoprothèses et autres dispositifs implantables.
« La facilité avec laquelle il est possible d’étendre la couche de métal à de grandes surfaces et la facilité avec laquelle les plastiques peuvent être revêtus nous amènent à des structures tridimensionnelles où de grands volumes de liquides peuvent être utilisés « , explique M. Geiger. « Les modèles pliables qui s’intègrent, par exemple, dans un sac à dos sont également une possibilité. Compte tenu de la transparence des films, il est passionnant de penser à coupler les nanocouches métalliques à une cellule solaire ou à recouvrir l’extérieur des fenêtres du bâtiment de nanocouches métalliques pour obtenir de l’énergie lorsqu’il pleut. »
L’étude, intitulée « Energy Conversion via Metal Nanolayers », a été publiée dans la revue Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Geiger est l’auteur correspondant de l’étude ; son équipe du Nord-Ouest a mené les expériences. Le co-auteur Thomas Miller, professeur de chimie à Caltech, a dirigé une équipe qui a mené des simulations atomistiques pour étudier le comportement du dispositif au niveau atomique.
La nouvelle méthode produit des tensions et des courants comparables à ceux des dispositifs à base de graphène dont l’efficacité est d’environ 30 % – semblable à d’autres approches à l’étude (nanotubes de carbone et graphène), mais avec une fabrication en une seule étape à partir d’éléments abondants dans la terre plutôt qu’en plusieurs étapes. Cette simplicité permet une évolutivité, une mise en œuvre rapide et peu coûteuse. Northwestern a déposé une demande de brevet provisoire.
Parmi les métaux étudiés, les chercheurs ont constaté que le fer, le nickel et le vanadium étaient les plus efficaces. Ils ont testé un échantillon de rouille pure à titre d’expérience de contrôle ; il n’a pas produit de courant.
Le mécanisme derrière la production d’électricité est complexe, impliquant l’adsorption et la désorption d’ions, mais il fonctionne essentiellement comme ceci : Les ions présents dans l’eau de pluie/eau salée attirent les électrons dans le métal sous la couche d’oxyde ; au fur et à mesure que l’eau s’écoule, ces ions s’écoulent et, par cette force d’attraction, ils entraînent les électrons dans le métal avec eux, produisant un courant électrique.
« Il existe des perspectives intéressantes pour une variété d’applications énergétiques et durables, mais la valeur réelle est le nouveau mécanisme de transfert d’électrons oxyde-métal, a dit M. Geiger. « Le mécanisme sous-jacent semble impliquer divers états d’oxydation. »
L’équipe a utilisé un procédé appelé dépôt physique en phase vapeur (PVD), qui transforme des matériaux normalement solides en vapeur qui se condense sur une surface souhaitée. Le PVD leur permettait de se déposer sur des couches de verre métallique de seulement 10 à 20 nanomètres d’épaisseur. Une couche d’oxyde se forme alors spontanément dans l’air. Il atteint une épaisseur de 2 nanomètres, puis cesse de croître.
« Les films métalliques plus épais ne réussissent pas – c’est un effet de nano-confinement « , a dit M. Geiger. « Nous avons découvert l’endroit idéal. »
Lors des essais, les appareils ont généré plusieurs dizaines de millivolts et plusieurs microampères par centimètre carré.
« En perspective, des plaques d’une superficie de 10 mètres carrés chacune produiraient quelques kilowatts par heure, ce qui est suffisant pour une maison américaine standard, a dit M. Miller. « Bien sûr, les applications moins exigeantes, y compris les appareils à faible consommation dans les régions éloignées, sont plus prometteuses à court terme.«
