Une « feuille artificielle » plus verte

La photosynthèse, la façon naturelle de convertir la lumière du soleil en carburant, se produit tout autour de nous, des feuilles d'un arbre au plus petit brin d'herbe. Mais trouver un moyen d'imiter la capacité à moindre coût et efficacement a déconcerté les ingénieurs pendant des décennies.

Feuilles qui ne sont pas vertes : Le silicium recouvert de catalyseurs bon marché divise l'eau en hydrogène et oxygène à l'intérieur d'un récipient d'eau éclairé.

Aujourd'hui, les chercheurs ont fait un pas vers cet exploit insaisissable, avec un appareil encore plus efficace que la photosynthèse naturelle et reposant sur des matériaux abondants et peu coûteux.

Les cellules solaires conventionnelles produisent de l'électricité lorsqu'un matériau photovoltaïque est exposé à la lumière. Le nouveau dispositif va encore plus loin, en utilisant l'électricité résultante pour diviser l'eau en hydrogène et oxygène, qui peuvent être stockés et utilisés pour produire de l'électricité via une pile à combustible.

Le nouveau dispositif est encore au début du développement en laboratoire, et des défis importants restent à relever avant qu'il ne puisse être commercialisé.

Daniel Nocera , professeur au MIT, a révélé les détails préliminaires de l'appareil, qu'il appelle la première feuille artificielle pratique, lors de la réunion nationale de l'American Chemical Society en Californie le 27 mars. L'appareil combine une cellule solaire disponible dans le commerce avec une paire de catalyseurs à base de cobalt et de nickel qui séparent l'eau en oxygène et en hydrogène. En utilisant cette approche, un panneau solaire d'environ un mètre carré baigné dans l'eau pourrait produire suffisamment d'hydrogène pour alimenter une maison dans un pays en développement en électricité jour et nuit, dit Nocera.

En utilisant une cellule solaire en silicium à couche mince qui convertit l'énergie en lumière avec une efficacité de 7 %, Nocera affirme que son groupe a atteint une efficacité de 5 % pour la conversion de la lumière solaire en hydrogène. La photosynthèse naturelle est efficace à moins de 1% pour convertir la lumière du soleil en énergie.

L'appareil n'est pas le premier à tenter d'améliorer la photosynthèse naturelle. Il offre cependant des avantages distincts par rapport aux dispositifs précédents, qui utilisaient des catalyseurs de métaux précieux coûteux pour diviser l'eau en hydrogène et oxygène, ou effectuaient la division de l'eau indirectement avec un dispositif séparé, qui est moins efficace et plus coûteux.

Le dispositif de Nocera est le premier à utiliser des matériaux catalytiques peu coûteux et abondants qui sont incorporés dans la cellule solaire. Vous avez juste un morceau de silicium recouvert de catalyseurs que vous pouvez mettre dans un verre d'eau, et il commence à diviser l'eau en hydrogène et oxygène, dit-il.

L'appareil est rendu possible par plusieurs avancées récentes. Nocera a d'abord développé un catalyseur au cobalt capable de séparer l'oxygène de l'eau en 2008, mais le catalyseur ne pouvait pas être appliqué directement au silicium car il bloquerait la lumière solaire entrante. Pour son nouvel appareil, Nocera a appliqué une fine couche de cobalt sur le silicium qui ne bloque que 2 à 3 % de la lumière entrante. Avant d'appliquer le catalyseur, il a enduit le silicium d'une fine membrane qui le protège de l'oxydation mais laisse passer le courant électrique.

Un nouveau catalyseur à base de nickel également développé récemment par Nocera est appliqué de l'autre côté du silicium pour séparer l'hydrogène de l'eau. Les catalyseurs au nickel déjà utilisés dans d'autres dispositifs de fractionnement de l'eau appelés électrolyseurs seraient rapidement rendus inutiles par le phosphate et le borate présents dans l'eau. Les résultats des premiers tests de l'appareil ont été soumis pour publication. Ils montrent qu'il peut fonctionner pendant au moins six jours sans perte d'efficacité, dit Nocera.

John Turner , chercheur au National Renewable Energy Laboratory à Golden, Colorado, affirme que la possibilité d'utiliser un catalyseur au cobalt pratiquement transparent est une avancée clé et que l'efficacité signalée est prometteuse. Il tire la majeure partie de l'efficacité de la cellule, dit Turner. S'il [commence avec] une cellule à 11 ou 12 %, qui est disponible dans le commerce, il devrait pouvoir faire beaucoup mieux. Mais nous aurions besoin de voir ce qu'il peut faire une fois qu'il aura une meilleure cellule.

Cependant, dit Turner, Nocera devra démontrer des temps d'exécution beaucoup plus longs, des dizaines de milliers d'heures. Ils ont peut-être la durabilité, mais ils doivent continuer à le montrer, dit-il.

Soleil Catalytix , une entreprise fondée par Nocera, travaillera désormais avec le géant industriel indien Tata pour commercialiser la technologie à usage résidentiel dans les pays en développement. Les sociétés travaillent déjà ensemble pour développer un autre appareil de photosynthèse artificielle développé précédemment par Nocera. Ce dispositif initial sera basé sur un panneau solaire de 100 watts et nécessitera un électrolyseur séparé relié par des fils au panneau. Il devrait se vendre environ 100 $.

L'appareil devrait également être associé à une pile à combustible pour convertir l'hydrogène stocké en électricité. Nocera dit qu'il espère livrer ce premier dispositif de production d'hydrogène à énergie solaire à Tata d'ici la fin 2011. La nouvelle feuille artificielle devrait être moins chère, mais il pourrait s'écouler encore deux ans et demi avant qu'un prototype commercial ne soit prêt, dit Nocera.

James Stevens, chercheur à Dow Chemical, affirme que la technologie a encore un long chemin à parcourir. Il y a beaucoup à faire avant que cela puisse être pratique, dit-il. L'efficacité est faible et les coûts d'investissement de ces choses sont très élevés.

D'autres problèmes pratiques, tels que le stockage en toute sécurité de l'hydrogène gazeux et l'empêchement du système de geler à des températures inférieures à zéro, sont également des défis importants, explique Stevens. Nous ne sommes pas vraiment intéressés par l'état de l'art tel qu'il se présente actuellement, dit-il.

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