211service.com
Production d'hydrogène à l'énergie solaire
Des chercheurs suisses ont démontré des cellules solaires à séparation d'eau plus efficaces basées sur un matériau bon marché, abondant et durable : la rouille. L'avancée pourrait conduire à un moyen peu coûteux et économe en énergie de produire de l'hydrogène pour les véhicules à pile à combustible utilisant l'énergie solaire.
Les panneaux solaires à séparation d'eau auraient des avantages importants par rapport aux technologies existantes en termes de production d'hydrogène. À l'heure actuelle, le principal moyen de produire de l'hydrogène est de le séparer du gaz naturel, un processus qui génère du dioxyde de carbone et sape la principale motivation pour passer aux véhicules à pile à combustible à hydrogène : mettre fin à la dépendance aux combustibles fossiles. L'alternative actuelle est l'électrolyse, qui utilise l'électricité pour briser l'eau en hydrogène et en oxygène, les deux gaz se formant aux électrodes opposées. Bien que l'électrolyse soit coûteuse, elle peut être plus propre si la source d'électricité est le vent, le soleil ou une autre source sans carbone.
Mais si la source d'électricité est le soleil, il serait beaucoup plus efficace d'utiliser l'énergie solaire pour produire de l'hydrogène par un processus photochimique à l'intérieur de la cellule elle-même. En améliorant l'efficacité de ces panneaux solaires, Michael Grätzel , professeur de chimie à l'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, en Suisse, et ses collègues ont franchi une étape importante vers cet objectif.
Les chercheurs ont montré qu'en incluant de petites quantités de silicium et de cobalt, ils peuvent faire croître des films minces nanostructurés d'oxyde de fer qui convertissent la lumière du soleil en électrons nécessaires pour former de l'hydrogène à partir de l'eau. Et les films d'oxyde de fer le font plus efficacement que jamais avec ce matériau.
L'oxyde de fer a longtemps été un matériau attrayant pour de tels panneaux solaires, en partie parce qu'il résiste bien au contact de l'eau. Mais bien qu'il puisse absorber la lumière du soleil, les porteurs de charge résultants ne pouvaient pas facilement s'échapper du matériau, ils se sont donc recombinés, s'annulant avant de pouvoir séparer l'eau. En dopant la rouille avec du silicium, les chercheurs ont cajolé le matériau pour former des structures en forme de chou-fleur avec une surface extrêmement élevée, garantissant qu'une grande partie des atomes du matériau étaient en contact avec l'eau, ou très près de celle-ci. De cette façon, les trous pourraient facilement s'échapper dans l'eau, où ils provoquent la génération d'oxygène gazeux. Le silicium améliore également la conductivité électronique dans le matériau, ce qui est important pour générer de l'hydrogène gazeux à une électrode opposée. Les chercheurs ont encore amélioré le processus en ajoutant du cobalt, qui agit comme un catalyseur pour les réactions.
Les nouveaux films d'oxyde de fer de Grätzel peuvent convertir un nombre impressionnant et, selon les chercheurs, sans précédent de 42 % des photons ultraviolets de la lumière solaire en électrons et en trous. Mais l'efficacité globale du système n'est que d'environ 4%, en partie parce que l'oxyde de fer n'absorbe pas toutes les parties du spectre solaire.
La principale réalisation de la nouvelle recherche de Grätzel, qui apparaît dans le numéro actuel du Journal de l'American Chemical Society , c'est qu'il examine en détail les interactions à l'œuvre dans le système, explique Brian Holcroft, PDG de Hydrogène Solaire , une entreprise basée à Guildford, au Royaume-Uni, qui développe des moyens de produire en série des panneaux inspirés des matériaux de Grätzel. Les résultats suggèrent plusieurs stratégies qui pourraient aider le panneau à base d'oxyde de fer à atteindre le niveau d'efficacité de 10 % qui rendrait la technologie compétitive par rapport aux méthodes actuelles de production d'hydrogène, explique Holcroft. (L'oxyde de fer pourrait théoriquement être efficace jusqu'à 20 pour cent.) Ceux-ci incluent l'ajustement de la quantité et de la disposition du silicium et du cobalt, et l'amélioration de la structure des films.
Si ce niveau d'efficacité peut être atteint, l'énergie solaire génératrice d'hydrogène pourrait atténuer certains des défis qui menacent de rendre les véhicules à pile à combustible à hydrogène impraticables, déclare George Sverdrup, responsable de la technologie de l'hydrogène au Laboratoire national des énergies renouvelables (NREL), à Golden, CO. Par exemple, si les consommateurs et les entreprises utilisaient ces panneaux pour fabriquer de l'hydrogène, plutôt que d'obtenir de l'hydrogène à partir d'une grande installation, cela réduirait le coût de transport de l'hydrogène, rendant l'hydrogène plus abordable. Les panneaux solaires à hydrogène seraient plus efficaces que les petites machines d'électrolyse et garantiraient que l'hydrogène provient d'une source renouvelable.
Mais des défis demeurent. Les chercheurs d'Hydrogen Solar, par exemple, recherchent un remplacement pour le platine coûteux maintenant utilisé dans l'une des électrodes de la cellule, ce qui sera important pour réduire les coûts, d'autant plus que la demande de platine augmente dans cette application et dans d'autres, telles que le carburant. cellules. Pendant ce temps, Sverdrup dit que d'autres chercheurs, y compris ceux du NREL, travaillent avec des matériaux qui sont beaucoup plus efficaces que l'oxyde de fer mais qui n'ont jusqu'à présent duré que quelques heures. Si les chercheurs peuvent les faire durer plus longtemps, les matériaux pourraient défier l'oxyde de fer.