Une « feuille artificielle » solaire fait de l’hydrogène avec l’eau de mer
Des chercheurs de l’Université technologique de Nanyang (NTU) à Singapour ont construit un dispositif alimenté à l’énergie solaire qui produit de l’hydrogène à partir d’eau de mer tout en décomposant l’hydrazine, un polluant très toxique des eaux usées industrielles. Les travaux sont détaillés dans la revue Nature Communications.
L’équipe qualifie cette conception de preuve de concept de « feuille artificielle » : elle combine une cellule solaire miniature, un électrolyseur et un système de traitement des eaux usées en un seul dispositif. Elle s’inspire des vraies feuilles, qui utilisent la lumière du soleil pour déclencher des réactions chimiques.
Deux problèmes résolus avec un seul dispositif
Lors des essais, le dispositif a fonctionné de manière stable pendant plus de 72 heures et a produit de l’hydrogène à un taux de 466 micromoles par centimètre carré et par heure. Dans une expérience distincte, une version plus grande a réduit la concentration d’hydrazine dans l’eau contaminée de 0,5 molaire (environ 1,6 % en poids) à 0,5 partie par milliard en environ 30 heures. C’est plus de 20 fois moins que la limite de 10 parties par milliard de l’Agence américaine de protection de l’environnement citée par les chercheurs.
« Ce dispositif à double fonction représente une avancée majeure pour les technologies environnementales », a déclaré la professeure Lydia Wong, l’une des chercheuses. « En exploitant efficacement l’énergie solaire pour décomposer un polluant industriel toxique tout en produisant un carburant propre, nous résolvons à la fois un problème énergétique et un problème de pollution. »
Comment fonctionne la chimie
L’électrolyse sépare l’eau en hydrogène et en oxygène à l’aide d’électricité : l’hydrogène se forme à l’électrode négative (cathode) et l’oxygène à l’électrode positive (anode). L’oxygène est souvent simplement rejeté, si bien qu’une grande quantité d’énergie sert à produire un « déchet ». L’eau de mer est intéressante comme matière première parce qu’elle est abondante, mais son chlorure corrode les électrodes et peut déclencher des réactions produisant des composés chlorés toxiques.
L’équipe de la NTU a remplacé la production d’oxygène à l’anode par la décomposition de l’hydrazine. Un catalyseur spécial transforme l’hydrazine en azote gazeux et génère aussi de l’hydrogène supplémentaire. Décomposer l’hydrazine demande beaucoup moins d’énergie que produire de l’oxygène, de sorte que la production d’hydrogène à la cathode devient plus efficace sur le plan énergétique. Le catalyseur contient du fer, du cobalt et du chrome, ce qui le rend résistant à la corrosion et aide à supprimer les composés chlorés toxiques.
Une cathode en pérovskite qui s’alimente elle-même
La cathode est faite de pérovskites aux halogénures de plomb, des semi-conducteurs qui absorbent la lumière et la convertissent en électricité. Cela permet au dispositif de fonctionner sans alimentation électrique externe. Les pérovskites sont sensibles à l’humidité et aux produits chimiques agressifs ; les chercheurs les ont donc protégées par une couche d’époxy conducteur contenant des particules d’argent et de cuivre et par une feuille de titane qui retient l’eau tout en laissant passer la charge. Le titane a été recouvert d’une fine couche de platine pour faciliter la production d’hydrogène.
Conditions des essais et résultats
Le dispositif a été placé dans des solutions alcalines d’eau de mer simulée et réelle additionnées d’hydrazine, sous une lumière artificielle équivalente à l’intensité du soleil par temps clair. Dans les deux cas, il a généré une densité de photocourant d’environ 25 milliampères par centimètre carré, parmi les plus élevées signalées pour des photocathodes en pérovskite à base de plomb, sans électricité externe. Pour l’essai avec l’hydrazine, l’équipe a agrandi la photocathode de 0,56 à 6,25 centimètres carrés. Elle a aussi testé la feuille en extérieur sous la lumière naturelle du soleil et observé la formation de bulles d’hydrogène et d’azote, ce qui montre qu’elle peut fonctionner hors de l’éclairage de laboratoire.
Les résultats proviennent d’un prototype de laboratoire, et non d’un système commercial. Plus d’informations dans notre rubrique technologie.