Des feuilles artificielles flottantes pourraient produire du carburant solaire

Des dispositifs en forme de feuille suffisamment légers pour flotter sur l'eau pourraient être utilisés pour générer du carburant à partir de fermes solaires situées sur des sources d'eau à ciel ouvert - une voie qui n'a jamais été explorée auparavant, selon les chercheurs de l'Université de Cambridge au Royaume-Uni qui les a développés. Les nouveaux appareils sont fabriqués à partir de substrats minces et flexibles et de couches absorbant la lumière à base de pérovskite, et des tests ont montré qu'ils peuvent produire de l'hydrogène ou du gaz de synthèse (un mélange d'hydrogène et de monoxyde de carbone) tout en flottant sur la rivière Cam.

Les feuilles artificielles comme celles-ci sont un type de cellule photoélectrochimique (PEC) qui transforme la lumière du soleil en énergie électrique ou en carburant en imitant certains aspects de la photosynthèse, comme la séparation de l'eau en ses constituants oxygène et hydrogène. Ceci est différent des cellules photovoltaïques conventionnelles, qui convertissent directement la lumière en électricité.

Étant donné que les feuilles artificielles PEC contiennent à la fois des composants de collecte de lumière et de catalyse dans un seul appareil compact, elles pourraient en principe être utilisées pour produire du carburant à partir de la lumière du soleil à moindre coût et simplement. Le problème est que les techniques actuelles de fabrication ne peuvent pas être étendues. De plus, ils sont souvent composés de matériaux en vrac fragiles et lourds, ce qui limite leur utilisation.

En 2019, une équipe de chercheurs dirigée par Erwin Reisner a développé une feuille artificielle qui produit du gaz de synthèse à partir de la lumière du soleil, du dioxyde de carbone et de l'eau. Cet appareil contenait deux absorbeurs de lumière et des catalyseurs, mais il incorporait également un substrat de verre épais et des revêtements de protection contre l'humidité, ce qui le rendait encombrant.

Nouvelle version allégée

Pour créer la nouvelle version plus légère, Reisner et ses collègues ont dû surmonter plusieurs défis. La première consistait à intégrer des absorbeurs de lumière et des catalyseurs dans des substrats résistants aux infiltrations d'eau. Pour ce faire, ils ont choisi un oxyde métallique en couche mince, le vanadate de bismuth (BiVO₄), et des semi-conducteurs photoactifs connus sous le nom de pérovskites aux halogénures de plomb, qui peuvent être enduits sur des feuilles de plastique et de métal flexibles. Ils ont ensuite recouvert les appareils de téréphtalate de polyéthylène hydrofuge d'une épaisseur d'un micron. Le résultat était une structure qui fonctionne et ressemble à une vraie feuille.

"Nous avons placé les absorbeurs de lumière au centre des appareils, pour les protéger de l'eau", explique Reisner. "La pérovskite sensible à l'humidité en particulier doit être complètement isolée."

Les catalyseurs sont déposés de part et d'autre du dispositif. Les pérovskites et BiVO₄ récoltent le rayonnement solaire, mais au lieu de produire de l'électricité comme un panneau photovoltaïque, ils utilisent l'énergie récoltée pour alimenter une réaction chimique avec le support des catalyseurs. "Cela nous permet essentiellement de piloter la chimie sur un panneau solaire - dans notre cas, convertir le gaz à effet de serre en dioxyde de carbone avec de l'eau pour produire du gaz de synthèse, un important vecteur d'énergie industrielle", a déclaré Reisner. Monde de la physique.

Les chercheurs ont testé leurs feuilles flottant sur la rivière Cam à Cambridge et ont découvert qu'elles convertissaient la lumière du soleil en carburant aussi efficacement que les feuilles de plantes naturelles. En effet, un dispositif contenant un catalyseur au platine a atteint une activité de 4,266 XNUMX μmole H₂ g^-1 h^-1.

Fermes de synthèse de carburant

« Les fermes solaires sont devenues populaires pour la production d'électricité ; nous envisageons des fermes similaires pour la synthèse de carburant », déclare un membre de l'équipe Virgile Andreï. "Ceux-ci pourraient approvisionner les établissements côtiers, les îles éloignées, couvrir les étangs 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 vers l'eau libre signifierait que l'énergie propre et l'utilisation des terres ne sont pas en concurrence", ajoute Reisner. "En théorie, vous pourriez enrouler ces appareils et les mettre presque n'importe où, dans presque tous les pays, ce qui contribuerait également à la sécurité énergétique."

Les chercheurs disent qu'ils vont maintenant travailler à la mise à l'échelle et à l'amélioration de l'efficacité et de la stabilité de leurs appareils. "Notre équipe étudie également de nouveaux catalyseurs pour élargir la portée de la chimie des feuilles artificielles afin de nous permettre de fabriquer d'autres produits à partir de matières premières abondantes et idéalement, à long terme, de nombreux produits chimiques différents à la demande", déclare Reisner.

La présente étude est détaillée dans Nature.