Soleil + Eau = Carburant

Je vais vous montrer quelque chose que je n'ai encore montré à personne, a déclaré Daniel Nocera, professeur de chimie au MIT, s'adressant en mai à un auditorium rempli de scientifiques et de responsables de l'énergie du gouvernement américain. Il a demandé au directeur de la maison d'abaisser les lumières. Puis il a commencé une vidéo. Vous pouvez la voir? demanda-t-il avec excitation, en désignant les bulles s'élevant d'une bande de matériau immergé dans l'eau. De l'oxygène s'écoule de cette électrode. Puis il a ajouté, un peu énigmatiquement, C'est l'avenir. Nous avons la feuille.

Envie de feuilles : Le chimiste du MIT Daniel Nocera a imité l'étape de la photosynthèse dans laquelle les plantes vertes divisent l'eau.

Ce que Nocera démontrait était une réaction qui génère de l'oxygène à partir de l'eau tout comme les plantes vertes le font pendant la photosynthèse - une réalisation qui pourrait avoir de profondes implications pour le débat sur l'énergie. Réalisée à l'aide d'un catalyseur qu'il a développé, la réaction est la première et la plus difficile des étapes de fractionnement de l'eau pour produire de l'hydrogène gazeux. Et produire efficacement de l'hydrogène à partir de l'eau, pense Nocera, aidera à surmonter l'un des principaux obstacles empêchant l'énergie solaire de devenir une source dominante d'électricité : il n'y a pas de moyen rentable de stocker l'énergie collectée par les panneaux solaires afin qu'elle puisse être utilisée à nuit ou pendant les jours nuageux.

L'énergie solaire a un potentiel unique pour générer de grandes quantités d'énergie propre qui ne contribue pas au réchauffement climatique. Mais sans moyen bon marché de stocker cette énergie, l'énergie solaire ne peut pas remplacer les combustibles fossiles à grande échelle. Dans le scénario de Nocera, la lumière du soleil diviserait l'eau pour produire de l'hydrogène polyvalent et facile à stocker qui pourrait ensuite être brûlé dans un générateur à combustion interne ou recombiné avec de l'oxygène dans une pile à combustible. Plus ambitieuse encore, la réaction pourrait être utilisée pour diviser l'eau de mer ; dans ce cas, faire passer l'hydrogène à travers une pile à combustible produirait de l'eau douce ainsi que de l'électricité.

Stocker l'énergie du soleil en imitant la photosynthèse est quelque chose que les scientifiques essaient de faire depuis le début des années 1970. En particulier, ils ont essayé de reproduire la façon dont les plantes vertes décomposent l'eau. Les chimistes, bien sûr, peuvent déjà diviser l'eau. Mais le processus a nécessité des températures élevées, des solutions alcalines dures ou des catalyseurs rares et coûteux tels que le platine. Ce que Nocera a conçu est un catalyseur peu coûteux qui produit de l'oxygène à partir de l'eau à température ambiante et sans produits chimiques caustiques, les mêmes conditions bénignes que l'on trouve dans les plantes. Plusieurs autres catalyseurs prometteurs, dont un autre développé par Nocera, pourraient être utilisés pour compléter le processus et produire de l'hydrogène gazeux.

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• Daniel Nocera décrit les défis de la photosynthèse artificielle dans une conférence donnée avant sa récente avancée.

Nocera voit deux façons de profiter de sa percée. Dans le premier, un panneau solaire conventionnel capterait la lumière du soleil pour produire de l'électricité ; à son tour, cette électricité alimenterait un appareil appelé électrolyseur, qui utiliserait ses catalyseurs pour diviser l'eau. La deuxième approche utiliserait un système qui imite plus étroitement la structure d'une feuille. Les catalyseurs seraient déployés côte à côte avec des molécules de colorant spéciales conçues pour absorber la lumière du soleil ; l'énergie captée par les colorants entraînerait la réaction de séparation de l'eau. Dans tous les cas, l'énergie solaire serait convertie en carburant hydrogène qui pourrait être facilement stocké et utilisé la nuit ou chaque fois que cela est nécessaire.

Les affirmations audacieuses de Nocera sur l'importance de son avancée sont du genre de celles que les chimistes universitaires répugnent généralement à faire devant leurs pairs. En effet, un certain nombre d'experts se sont demandé dans quelle mesure son système peut être étendu et à quel point il sera économique. Mais Nocera ne montre aucun signe de recul. Avec cette découverte, je change totalement le dialogue, a-t-il déclaré au public en mai. Tous les vieux arguments passent par la fenêtre.

Le côté obscur du solaire
La lumière du soleil est la plus grande source potentielle d'énergie renouvelable au monde, mais ce potentiel pourrait facilement ne pas être réalisé. Non seulement les panneaux solaires ne fonctionnent pas la nuit, mais la production diurne augmente et diminue au fur et à mesure que les nuages ​​passent au-dessus. C'est pourquoi aujourd'hui, la plupart des panneaux solaires, à la fois ceux des parcs solaires construits par les services publics et ceux montés sur les toits des maisons et des entreprises, sont connectés au réseau électrique. Pendant les journées ensoleillées, lorsque les panneaux solaires fonctionnent à pleine capacité, les propriétaires et les entreprises peuvent vendre leur excès d'électricité aux services publics. Mais ils doivent généralement s'appuyer sur la grille la nuit ou lorsque les nuages ​​ombragent les panneaux.

Ce système ne fonctionne que parce que l'énergie solaire apporte une contribution minime à la production globale d'électricité : elle répond à une petite fraction de 1 % de la demande totale aux États-Unis. À mesure que la contribution de l'énergie solaire augmente, son manque de fiabilité deviendra un problème de plus en plus grave.

Si l'énergie solaire se développe suffisamment pour fournir aussi peu que 10 % de l'électricité totale, les services publics devront décider quoi faire lorsque les nuages ​​se déplacent pendant les périodes de pointe de la demande, explique Ryan Wiser, un chercheur qui étudie les marchés de l'électricité au Lawrence Berkeley National Laboratory à Berkeley, Californie. Soit les services publics devront exploiter des usines de gaz naturel supplémentaires qui peuvent augmenter rapidement pour compenser la perte d'énergie, soit ils devront investir dans le stockage d'énergie. La première option est actuellement moins chère, déclare Wiser : le stockage électrique est tout simplement trop cher.

Mais si nous comptons sur l'énergie solaire pour plus d'environ 20 % de l'électricité totale, dit-il, elle commencera à contribuer à ce qu'on appelle la puissance de base, la quantité d'énergie nécessaire pour répondre à la demande minimale. Et l'électricité de base (qui est maintenant fournie principalement par des centrales au charbon) doit être fournie à un taux relativement constant. L'énergie solaire ne peut être exploitée à cette fin que si elle peut être stockée à grande échelle pour une utilisation 24 heures sur 24, par beau et mauvais temps.

En bref, pour que le solaire devienne une source principale d'électricité, de vastes quantités de stockage abordables seront nécessaires. Et les options d'aujourd'hui pour stocker l'électricité ne sont tout simplement pas pratiques à une échelle suffisamment grande, déclare Nathan Lewis, professeur de chimie à Caltech. Prenez l'une des méthodes les moins chères : utiliser l'électricité pour pomper l'eau en amont, puis faire passer l'eau à travers une turbine pour produire de l'électricité plus tard. Un kilogramme d'eau pompée sur 100 mètres emmagasine environ un kilojoule d'énergie. En comparaison, un kilogramme d'essence stocke environ 45 000 kilojoules. Stocker suffisamment d'énergie de cette manière nécessiterait des barrages massifs et d'énormes réservoirs qui seraient vidés et remplis chaque jour. Et essayez de trouver suffisamment d'eau pour cela dans des endroits comme l'Arizona et le Nevada, où la lumière du soleil est particulièrement abondante.

Les batteries, quant à elles, sont chères : elles pourraient ajouter 10 000 $ au coût d'un système solaire domestique typique. Et bien qu'ils s'améliorent, ils stockent toujours beaucoup moins d'énergie que les carburants tels que l'essence et l'hydrogène stockent sous forme de liaisons chimiques. Les meilleures batteries stockent environ 300 watts-heures d'énergie par kilogramme, selon Lewis, tandis que l'essence stocke 13 000 watts-heures par kilogramme. Les chiffres montrent clairement que les combustibles chimiques sont le seul moyen à forte densité énergétique d'obtenir un stockage d'énergie massif, dit Lewis. Parmi ces carburants, non seulement l'hydrogène est potentiellement plus propre que l'essence, mais en poids, il stocke beaucoup plus d'énergie - environ trois fois plus, bien qu'il prenne plus de place parce que c'est un gaz.

Le défi consiste à utiliser l'énergie du soleil pour fabriquer de tels carburants à moindre coût et de manière efficace. C'est là qu'interviennent les efforts de Nocera pour imiter la photosynthèse.

Photosynthèse dans un bécher : Dans une configuration expérimentale qui reproduit les conditions bénignes trouvées dans les plantes photosynthétiques, -Daniel ¬Nocera a démontré un moyen simple et potentiellement bon marché de produire de l'hydrogène gazeux. Lorsqu'une tension est appliquée, le cobalt et le phosphate en solution (à gauche) s'accumulent sur une électrode pour former un catalyseur, qui libère de l'oxygène gazeux de l'eau lorsque les électrons s'écoulent à travers l'électrode. Les ions hydrogène traversent une membrane ; d'autre part, l'hydrogène gazeux est produit par un catalyseur au nickel métallique (Nocera a également utilisé un catalyseur au platine).

Imiter les plantes
Dans la vraie photosynthèse, les plantes vertes utilisent la chlorophylle pour capter l'énergie de la lumière du soleil, puis utilisent cette énergie pour entraîner une série de réactions chimiques complexes qui transforment l'eau et le dioxyde de carbone en glucides riches en énergie tels que l'amidon et le sucre. Mais ce qui intéresse principalement de nombreux chercheurs, c'est une étape précoce du processus, dans laquelle une combinaison de protéines et de catalyseurs inorganiques aide à briser efficacement l'eau en ions oxygène et hydrogène.

Le domaine de la photosynthèse artificielle a démarré rapidement. Au début des années 1970, un étudiant diplômé de l'Université de Tokyo, Akira Fujishima, et son directeur de thèse, Kenichi Honda, ont montré que des électrodes en dioxyde de titane, un composant de la peinture blanche, fractionnaient lentement l'eau lorsqu'elles étaient exposées à la lumière d'un , lampe au xénon de 500 watts. La découverte a établi que la lumière pouvait être utilisée pour diviser l'eau à l'extérieur des plantes. En 1974, Thomas Meyer, professeur de chimie à l'Université de Caroline du Nord, Chapel Hill, a montré qu'un colorant à base de ruthénium, lorsqu'il était exposé à la lumière, subissait des modifications chimiques qui lui donnaient le potentiel d'oxyder l'eau ou d'en retirer des électrons. –la première étape clé du fractionnement de l'eau.

En fin de compte, aucune des deux techniques ne s'est avérée pratique. Le dioxyde de titane ne pouvait pas absorber suffisamment de lumière solaire et l'état chimique induit par la lumière dans le colorant de Meyer était trop transitoire pour être utile. Mais les progrès ont stimulé l'imagination des scientifiques. Vous pouvez regarder vers l'avenir et voir où aller et, au moins en principe, assembler les pièces, dit Meyer.

Au cours des décennies suivantes, les scientifiques ont étudié les structures et les matériaux des plantes qui absorbent la lumière du soleil et stockent son énergie. Ils ont découvert que les plantes chorégraphient soigneusement le mouvement des molécules d'eau, des électrons et des ions hydrogène, c'est-à-dire des protons. Mais beaucoup sur les mécanismes précis impliqués restaient inconnus. Puis, en 2004, des chercheurs de l'Imperial College de Londres ont identifié la structure d'un groupe de protéines et de métaux essentiels pour libérer l'oxygène de l'eau dans les plantes. Ils ont montré que le cœur de ce complexe catalytique était un ensemble de protéines, d'atomes d'oxygène et d'ions manganèse et calcium qui interagissent de manière spécifique.

Dès que nous avons vu cela, nous avons pu commencer à concevoir des systèmes, explique Nocera, qui essayait de comprendre pleinement la chimie derrière la photosynthèse depuis 1984. En lisant cette feuille de route, dit-il, son groupe a entrepris de gérer les protons et les électrons un peu comme les plantes le font, mais en utilisant uniquement des matériaux inorganiques, qui sont plus robustes et stables que les protéines.

Au départ, Nocera n'a pas relevé le plus gros défi, extraire l'oxygène de l'eau. Au lieu de cela, pour obtenir nos roues d'entraînement, il a commencé par la réaction inverse : combiner l'oxygène avec des protons et des électrons pour former de l'eau. Il a découvert que certains composés complexes à base de cobalt étaient de bons catalyseurs pour cette réaction. Alors, quand est venu le temps d'essayer de diviser l'eau, il a décidé d'utiliser des composés de cobalt similaires.

Nocera savait que travailler avec ces composés dans l'eau pouvait être un problème, car le cobalt peut se dissoudre. Sans surprise, dit-il, en quelques jours, nous avons réalisé que le cobalt tombait de ce composé élaboré que nous avons fabriqué. Ses premières tentatives ayant échoué, il a décidé d'adopter une approche différente. Au lieu d'utiliser un composé complexe, il a testé l'activité catalytique du cobalt dissous, avec du phosphate ajouté à l'eau pour aider la réaction. Nous avons dit, oublions tous les trucs élaborés et utilisons simplement le cobalt directement, dit-il.

Solaire se lance en solo : La photosynthèse artificielle pourrait fournir un moyen pratique de stocker l'énergie produite par l'énergie solaire, libérant ainsi les maisons du réseau électrique. Dans ce schéma, l'électricité provenant de panneaux solaires alimente un électrolyseur, qui décompose l'eau en hydrogène et oxygène. L'hydrogène est stocké ; la nuit ou par temps nuageux, il est introduit dans une pile à combustible pour produire de l'électricité pour les lumières, les appareils et même les voitures électriques. Aux beaux jours, une partie de l'énergie solaire est utilisée directement, en contournant l'étape de production d'hydrogène.

L'expérience a fonctionné mieux que Nocera et ses collègues ne l'avaient prévu. Lorsqu'un courant a été appliqué à une électrode immergée dans la solution, du cobalt et du phosphate s'y sont accumulés en un film mince, et une couche dense de bulles a commencé à se former en quelques minutes seulement. D'autres tests ont confirmé que les bulles étaient de l'oxygène libéré en divisant l'eau. Voici la chance, dit Nocera. Il n'y avait aucune raison pour nous de nous attendre à ce que le simple cobalt avec du phosphate, plutôt que le cobalt lié dans l'un de nos complexes, fonctionne aussi bien. Je n'aurais pas pu le prévoir. Les trucs qui tombaient des complexes se sont avérés être ce dont nous avions besoin.

Maintenant, nous voulons le comprendre, poursuit-il. Je veux savoir pourquoi diable le cobalt dans ce film mince est si actif. Je peux peut-être l'améliorer ou utiliser un autre métal qui est meilleur. Dans le même temps, il souhaite commencer à travailler avec des ingénieurs pour optimiser le processus et fabriquer une cellule de séparation d'eau efficace, qui incorpore des catalyseurs pour générer à la fois de l'oxygène et de l'hydrogène. Nous étions vraiment intéressés par la science fondamentale. Peut-on fabriquer un catalyseur qui fonctionne efficacement dans les conditions de la photosynthèse ? il dit. La réponse est maintenant oui, nous pouvons le faire. Maintenant, nous devons vraiment aborder la technologie de conception d'une cellule.

Catalyser un débat
La découverte de Nocera a suscité beaucoup d'attention, et tout n'a pas été flatteur. De nombreux chimistes trouvent ses affirmations exagérées ; ils ne contestent pas ses découvertes, mais ils doutent qu'elles aient les conséquences qu'il imagine. L'affirmation selon laquelle c'est la réponse à la photosynthèse artificielle est folle, déclare Thomas Meyer, qui a été un mentor pour Nocera. Il dit que même si les catalyseurs de Nocera pourraient s'avérer importants sur le plan technologique, l'avancée est une découverte de la recherche et rien ne garantit qu'elle puisse être étendue ou même rendue pratique.

Les objections de nombreux critiques tournent autour de l'incapacité de la configuration du laboratoire de Nocera à diviser l'eau presque aussi rapidement que les électrolyseurs commerciaux. Plus le système est rapide, plus une unité commerciale produisant une quantité donnée d'hydrogène et d'oxygène serait petite. Et les systèmes plus petits, en général, sont moins chers.

La façon de comparer différents catalyseurs consiste à examiner leur densité de courant, c'est-à-dire le courant électrique par centimètre carré, lorsqu'ils sont le plus efficaces. Plus le courant est élevé, plus le catalyseur peut produire de l'oxygène rapidement. Nocera a rapporté des résultats de 1 milliampère par centimètre carré, bien qu'il dise qu'il a atteint 10 milliampères depuis lors. Les électrolyseurs commerciaux fonctionnent généralement à environ 1 000 milliampères par centimètre carré. Au moins, ce qu'il a publié jusqu'à présent ne fonctionnerait jamais pour un électrolyseur commercial, où la densité de courant est de 800 à 2 000 fois plus élevée, déclare John Turner, chercheur au National Renewable Energy Laboratory à Golden, CO.

D'autres experts remettent en question tout le principe de la conversion de la lumière du soleil en électricité, puis en un combustible chimique, puis à nouveau en électricité. Ils suggèrent que si les batteries stockent beaucoup moins d'énergie que les carburants chimiques, elles sont néanmoins beaucoup plus efficaces, car utiliser de l'électricité pour fabriquer des carburants, puis utiliser les carburants pour produire de l'électricité gaspille de l'énergie à chaque étape. Il vaudrait mieux, disent-ils, se concentrer sur l'amélioration de la technologie des batteries ou d'autres formes similaires de stockage électrique, plutôt que sur le développement de séparateurs d'eau et de piles à combustible. Comme le dit Ryan Wiser, l'électrolyse est [actuellement] inefficace, alors pourquoi le feriez-vous ?

La feuille artificielle
Michael Grätzel, cependant, peut avoir un moyen astucieux de transformer la découverte de Nocera en une utilisation pratique. Professeur de chimie et de génie chimique à l'École polytechnique fédérale de Lausanne, en Suisse, il a été l'une des premières personnes à qui Nocera a parlé de son nouveau catalyseur. Il était tellement excité, dit Grätzel. Il m'a emmené dans un restaurant et a acheté une bouteille de vin extrêmement chère.

En 1991, Grätzel a inventé un nouveau type prometteur de cellule solaire. Il utilise un colorant contenant du ruthénium, qui agit un peu comme la chlorophylle d'une plante, absorbant la lumière et libérant des électrons. Dans la cellule solaire de Grätzel, cependant, les électrons ne déclenchent pas de réaction de séparation de l'eau. Au lieu de cela, ils sont collectés par un film de dioxyde de titane et dirigés à travers un circuit externe, générant de l'électricité. Grätzel pense maintenant qu'il peut intégrer sa cellule solaire et le catalyseur de Nocera dans un seul appareil qui capte l'énergie de la lumière du soleil et l'utilise pour diviser l'eau.

S'il a raison, ce serait une étape importante vers la fabrication d'un appareil qui, à bien des égards, ressemble vraiment à une feuille. L'idée est que le colorant de Grätzel prendrait la place de l'électrode sur laquelle se forme le catalyseur dans le système de Nocera. Le colorant lui-même, lorsqu'il est exposé à la lumière, peut générer la tension nécessaire pour assembler le catalyseur. Le colorant agit comme un fil moléculaire qui éloigne les charges, explique Grätzel. Le catalyseur s'assemble ensuite là où il est nécessaire, directement sur le colorant. Une fois le catalyseur formé, la lumière du soleil absorbée par le colorant entraîne les réactions qui divisent l'eau. Grätzel dit que l'appareil pourrait être plus efficace et moins cher que d'utiliser un panneau solaire et un électrolyseur séparés.

Une autre possibilité que Nocera étudie est de savoir si son catalyseur peut être utilisé pour diviser l'eau de mer. Dans les tests initiaux, il fonctionne bien en présence de sel, et il le teste maintenant pour voir comment il gère les autres composés trouvés dans la mer. S'il fonctionne, le système de Nocera pourrait résoudre plus que la simple crise énergétique ; cela pourrait également aider à résoudre la pénurie croissante d'eau douce dans le monde.

Les feuilles artificielles et les systèmes de dessalement produisant du carburant peuvent sembler des promesses grandioses. Mais pour de nombreux scientifiques, de telles possibilités semblent incroyablement proches ; Les chimistes à la recherche de nouvelles technologies énergétiques ont été raillés pendant des décennies par le fait que les plantes utilisent facilement la lumière du soleil pour transformer des matériaux abondants en molécules riches en énergie. Nous voyons cela se passer tout autour de nous, mais c'est quelque chose que nous ne pouvons pas vraiment faire, explique Paul Alivisatos, professeur de chimie et de science des matériaux à l'Université de Californie à Berkeley, qui dirige un effort au Lawrence Berkeley National Laboratory pour imiter photosynthèse par voie chimique.

Mais bientôt, en utilisant le modèle de la nature, les êtres humains pourraient utiliser le soleil pour fabriquer des carburants à partir d'un verre d'eau, comme le dit Nocera. Cette idée a une élégance que tout chimiste peut apprécier et des possibilités que tout le monde devrait trouver encourageantes.

Kevin Bullis est Examen de la technologie Éditeur d'énergie.

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