Fabriquer de l’hydrogène propre est difficile, mais un problème majeur est désormais résolu
Des chercheurs de l’université du Texas à Austin ont trouvé un moyen peu coûteux de séparer efficacement les molécules d’oxygène de l’eau en utilisant la lumière du Soleil.
Pendant des décennies, les chercheurs du monde entier ont cherché des moyens d’utiliser l’énergie solaire pour générer la réaction essentielle à la production d’hydrogène en tant que source d’énergie propre, à savoir la séparation des molécules d’eau pour former de l’hydrogène et de l’oxygène. Cependant, ces efforts ont le plus souvent échoué parce qu’il était trop coûteux de bien faire les choses, et que les tentatives de faire les choses à faible coût ont donné de mauvais résultats.
Dès les années 1970, des chercheurs ont étudié la possibilité d’utiliser l’énergie solaire pour produire de l’hydrogène. Mais l’incapacité à trouver des matériaux présentant la combinaison de propriétés nécessaire à un dispositif capable de réaliser efficacement les réactions chimiques clés a empêché cette méthode de devenir courante.
« Il faut des matériaux qui absorbent bien la lumière du soleil et qui, en même temps, ne se dégradent pas pendant les réactions de séparation de l’eau », explique Edward Yu, professeur au département de génie électrique et informatique de la Cockrell School.
« Il s’avère que les matériaux qui absorbent bien la lumière du soleil ont tendance à être instables dans les conditions requises pour la réaction de division de l’eau, tandis que les matériaux qui sont stables ont tendance à être de mauvais absorbeurs de lumière du soleil. Ces exigences contradictoires vous poussent vers un compromis apparemment inévitable, mais en combinant plusieurs matériaux – un qui absorbe efficacement la lumière du soleil, comme le silicium, et un autre qui offre une bonne stabilité, comme le dioxyde de silicium – dans un seul dispositif, ce conflit peut être résolu. »
Cependant, cela crée un autre défi : les électrons et les trous créés par l’absorption de la lumière solaire dans le silicium doivent pouvoir se déplacer facilement à travers la couche de dioxyde de silicium. Pour cela, il faut généralement que la couche de dioxyde de silicium ne dépasse pas quelques nanomètres, ce qui réduit son efficacité à protéger l’absorbeur de silicium de la dégradation.
La clé de cette avancée réside dans une méthode permettant de créer des chemins électriquement conducteurs à travers une couche épaisse de dioxyde de silicium, qui peut être réalisée à faible coût et adaptée à des volumes de fabrication élevés. Pour y parvenir, Yu et son équipe ont utilisé une technique déployée pour la première fois dans la fabrication de puces électroniques à semi-conducteurs. En recouvrant la couche de dioxyde de silicium d’une fine pellicule d’aluminium, puis en chauffant l’ensemble de la structure, on obtient des réseaux de « pointes »d’aluminium à l’échelle nanométrique qui recouvrent entièrement la couche de dioxyde de silicium. Ceux-ci peuvent ensuite être facilement remplacés par du nickel ou d’autres matériaux qui aident à catalyser les réactions de séparation de l’eau.
Lorsqu’ils sont éclairés par la lumière du Soleil, les dispositifs peuvent oxyder efficacement l’eau pour former des molécules d’oxygène, tout en générant de l’hydrogène sur une électrode séparée, et présentent une stabilité exceptionnelle en cas de fonctionnement prolongé. Comme les techniques employées pour créer ces dispositifs sont couramment utilisées dans la fabrication de l’électronique à semi-conducteurs, elles devraient être faciles à adapter pour une production de masse.
L’équipe a déposé une demande de brevet provisoire pour commercialiser cette technologie.
L’amélioration de la façon dont l’hydrogène est produit est essentielle à son émergence en tant que source de carburant viable. Aujourd’hui, la production d’hydrogène se fait essentiellement par le chauffage de la vapeur et du méthane, mais cette méthode fait largement appel aux combustibles fossiles et produit des émissions de carbone.
La tendance est à l’« hydrogène vert », qui utilise des méthodes plus respectueuses de l’environnement pour produire de l’hydrogène. La simplification de la réaction de séparation de l’eau est un élément clé de cet effort.
L’hydrogène a le potentiel pour devenir une ressource renouvelable importante, dotée de qualités uniques. Il joue déjà un rôle majeur dans des processus industriels importants, et il commence à apparaître dans l’industrie automobile. Les batteries à piles à combustible semblent prometteuses pour le transport routier longue distance et la technologie de l’hydrogène pourrait être un atout pour le stockage de l’énergie, avec la possibilité de stocker l’énergie éolienne et solaire excédentaire produite lorsque les conditions s’y prêtent.
À l’avenir, l’équipe s’efforcera d’améliorer l’efficacité de la partie oxygène de la division de l’eau en augmentant la vitesse de réaction. Le prochain défi majeur des chercheurs sera alors de passer à l’autre moitié de l’équation.
« Nous avons pu nous attaquer en premier lieu à la partie oxygène de la réaction, qui est la plus difficile », a déclaré Yu, « mais il faut effectuer à la fois les réactions d’évolution de l’hydrogène et de l’oxygène pour séparer complètement les molécules d’eau, c’est pourquoi notre prochaine étape consiste à envisager d’appliquer ces idées pour fabriquer des dispositifs pour la partie hydrogène de la réaction ».
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Source : MessageToEagle – Traduit par Anguille sous roche
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