Les « feuilles artificielles » flottantes surfent sur la vague de la production de carburant propre

Des chercheurs ont mis au point des « feuilles artificielles » flottantes qui produisent des carburants propres à partir de la lumière du soleil et de l’eau, et qui pourraient éventuellement fonctionner à grande échelle en mer.

Les chercheurs de l’université de Cambridge ont conçu des dispositifs souples et ultrafins, qui s’inspirent de la photosynthèse – le processus par lequel les plantes transforment la lumière du soleil en nourriture. Comme ces dispositifs autonomes et peu coûteux sont suffisamment légers pour flotter, ils pourraient être utilisés pour générer une alternative durable au pétrole sans prendre de place sur terre.

Des essais en plein air de ces feuilles légères sur la rivière Cam, près de sites emblématiques de Cambridge comme le pont des Soupirs, la bibliothèque Wren et la chapelle du King’s College, ont montré qu’elles pouvaient convertir la lumière du soleil en carburant aussi efficacement que les feuilles des plantes.

C’est la première fois qu’un carburant propre est produit sur l’eau. Si elles sont développées, ces feuilles artificielles pourraient être utilisées sur les voies d’eau polluées, dans les ports ou même en mer, et contribuer à réduire la dépendance de l’industrie mondiale du transport maritime vis-à-vis des combustibles fossiles. Les résultats sont publiés dans la revue Nature.

Alors que les technologies d’énergie renouvelable, telles que l’énergie éolienne et l’énergie solaire, sont devenues nettement moins chères et plus disponibles ces dernières années, pour des industries telles que le transport maritime, la décarbonisation est une tâche beaucoup plus ardue. Environ 80 % du commerce mondial est transporté par des cargos alimentés par des combustibles fossiles, mais le secteur a reçu remarquablement peu d’attention dans les discussions sur la crise climatique.

Depuis plusieurs années, le groupe de recherche du professeur Erwin Reisner à Cambridge s’efforce de résoudre ce problème en développant des solutions durables pour l’essence qui reposent sur les principes de la photosynthèse. En 2019, ils ont mis au point une feuille artificielle, qui produit du gaz de synthèse – un intermédiaire clé dans la production de nombreux produits chimiques et pharmaceutiques – à partir de la lumière du soleil, du dioxyde de carbone et de l’eau.

Le prototype précédent générait du carburant en combinant deux absorbeurs de lumière avec des catalyseurs appropriés. Toutefois, il comportait des substrats en verre épais et des revêtements de protection contre l’humidité, ce qui rendait le dispositif encombrant.

« Les feuilles artificielles pourraient réduire considérablement le coût de la production de carburant durable, mais comme elles sont à la fois lourdes et fragiles, il est difficile de les produire à grande échelle et de les transporter« , a déclaré le Dr Virgil Andrei du département de chimie Yusuf Hamied de Cambridge, co-auteur principal de l’article.

« Nous voulions voir dans quelle mesure nous pouvions réduire les matériaux utilisés par ces dispositifs sans affecter leurs performances« , a déclaré le Dr Reisner, qui a dirigé les recherches. « Si nous parvenons à réduire suffisamment les matériaux pour qu’ils soient assez légers pour flotter, cela ouvre la voie à de toutes nouvelles utilisations de ces feuilles artificielles.« 

Pour la nouvelle version de la feuille artificielle, les chercheurs se sont inspirés de l’industrie électronique, où les techniques de miniaturisation ont permis de créer des smartphones et des écrans flexibles, révolutionnant ainsi le domaine.

Le défi pour les chercheurs de Cambridge était de savoir comment déposer des absorbeurs de lumière sur des substrats légers et les protéger contre les infiltrations d’eau. Pour surmonter ces difficultés, l’équipe a déposé en couche mince des oxydes métalliques et des matériaux connus sous le nom de pérovskites, qui peuvent être déposés sur des feuilles de plastique et de métal flexibles. Les dispositifs ont été recouverts de couches de carbone hydrofuges de l’ordre du micromètre, qui empêchent la dégradation par l’humidité. Au final, ils ont obtenu un dispositif qui non seulement fonctionne, mais ressemble aussi à une vraie feuille.

« Cette étude démontre que les feuilles artificielles sont compatibles avec les techniques de fabrication modernes, ce qui représente une première étape vers l’automatisation et la mise à l’échelle de la production de combustible solaire« , a déclaré Andrei. « Ces feuilles combinent les avantages de la plupart des technologies de combustible solaire, car elles atteignent le faible poids des suspensions de poudre et les hautes performances des systèmes câblés.« 

Les tests des nouvelles feuilles artificielles ont montré qu’elles pouvaient diviser l’eau en hydrogène et en oxygène, ou réduire le CO2 en gaz de synthèse. Bien que des améliorations supplémentaires devront être apportées avant qu’elles ne soient prêtes pour des applications commerciales, les chercheurs affirment que ce développement ouvre de toutes nouvelles voies dans leur travail.

« Les fermes solaires sont devenues populaires pour la production d’électricité ; nous envisageons des fermes similaires pour la synthèse de carburant« , a déclaré Andrei. « Celles-ci pourraient alimenter des établissements côtiers, des îles éloignées, couvrir des bassins industriels ou éviter l’évaporation de l’eau des canaux d’irrigation.« 

« De nombreuses technologies d’énergie renouvelable, y compris les technologies de carburant solaire, peuvent occuper de grandes quantités d’espace sur terre, donc déplacer la production en pleine eau signifierait que l’énergie propre et l’utilisation des terres ne sont pas en concurrence« , a déclaré Reisner. « En théorie, vous pourriez enrouler ces dispositifs et les placer presque partout, dans presque tous les pays, ce qui contribuerait également à la sécurité énergétique.« 

CREDIT / Virgil Andrei

La recherche a été soutenue en partie par le Conseil européen de la recherche, le Cambridge Trust, le programme Winton pour la physique du développement durable, la Royal Academy of Engineering et le Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC), qui fait partie du UK Research and Innovat.