Un appareil able de récolter l’eau de l’air et de fournir de l’hydrogène, entièrement alimenté par l’énergie solaire, est un rêve pour les chercheurs depuis des décennies. Aujourd’hui, l’ingénieur chimiste de l’EPFL Kevin Sivula et son équipe ont franchi une étape importante pour rapprocher cette eyesight de la réalité. Ils ont développé un système ingénieux mais basic qui combine la technologie à base de semi-conducteurs avec de nouvelles électrodes qui ont deux caractéristiques principales : elles sont poreuses, pour maximiser le get hold of avec l’eau dans l’air et transparent, pour maximiser l’exposition à la lumière du soleil du revêtement semi-conducteur. Lorsque l’appareil est simplement exposé à la lumière du soleil, il prélève de l’eau dans l’air et produit de l’hydrogène gazeux. Les résultats sont publiés le 4 janvier 2023 dans Innovative Products.
Quoi de neuf? Ce sont leurs nouvelles électrodes de diffusion de gaz, qui sont transparentes, poreuses et conductrices, permettant à cette technologie solaire de transformer l’eau – à l’état gazeux de l’air – en hydrogène.
“Pour réaliser une société durable, nous avons besoin de moyens de stocker l’énergie renouvelable sous forme de produits chimiques pouvant être utilisés comme carburants et matières premières dans l’industrie. L’énergie solaire est la forme d’énergie renouvelable la additionally abondante, et nous nous efforçons de développer des moyens économiquement compétitifs pour produire combustibles solaires », déclare Sivula du Laboratoire d’ingénierie moléculaire des nanomatériaux optoélectroniques de l’EPFL et chercheur principal de l’étude.
Inspiration d’une feuille de plante
Dans leurs recherches sur les carburants renouvelables non fossiles, les ingénieurs de l’EPFL, en collaboration avec Toyota Motor Europe, se sont inspirés de la façon dont les plantes sont capables de convertir la lumière du soleil en énergie chimique en utilisant le dioxyde de carbone de l’air. Une plante récolte essentiellement le dioxyde de carbone et l’eau de son environnement et, grâce à l’énergie supplémentaire de la lumière solaire, peut transformer ces molécules en sucres et en amidons, un processus connu sous le nom de photosynthèse. L’énergie solaire est stockée sous forme de liaisons chimiques à l’intérieur des sucres et des amidons.
Les électrodes de diffusion de gaz transparentes développées par Sivula et son équipe, lorsqu’elles sont recouvertes d’un matériau semi-conducteur récoltant la lumière, agissent en effet comme une feuille artificielle, récoltant l’eau de l’air et de la lumière du soleil pour produire de l’hydrogène gazeux. L’énergie solaire est stockée sous forme de liaisons hydrogène.
Au lieu de construire des électrodes avec des couches traditionnelles opaques à la lumière du soleil, leur substrat est en fait un maillage tridimensionnel de fibres de verre feutrées.
Marina Caretti, auteure principale des travaux, déclare : “Le développement de notre prototype d’appareil était un défi automobile les électrodes transparentes à diffusion de gaz n’avaient pas été démontrées auparavant, et nous avons dû développer de nouvelles procédures pour chaque étape. Cependant, comme chaque étape est relativement straightforward et évolutive, je pense que notre approche ouvrira de nouveaux horizons pour un substantial éventail d’applications à partir des substrats de diffusion de gaz pour la output d’hydrogène par énergie solaire.”
De l’eau liquide à l’humidité de l’air
Sivula et d’autres groupes de recherche ont déjà montré qu’il est feasible d’effectuer une photosynthèse artificielle en générant de l’hydrogène à partir d’eau liquide et de la lumière du soleil à l’aide d’un dispositif appelé cellule photoélectrochimique (PEC). Une cellule PEC est généralement connue comme un dispositif qui utilise la lumière incidente pour stimuler un matériau photosensible, comme un semi-conducteur, immergé dans une resolution liquide pour provoquer une réaction chimique. Mais pour des raisons pratiques, ce processus a ses inconvénients, par exemple, il est compliqué de fabriquer des dispositifs PEC de grande floor qui utilisent du liquide.
Sivula voulait montrer que la technologie PEC pouvait être adaptée pour récupérer l’humidité de l’air, ce qui a conduit au développement de leur nouvelle électrode à diffusion de gaz. Il a déjà été démontré que les cellules électrochimiques (par exemple les piles à flamable) fonctionnent avec des gaz au lieu de liquides, mais les électrodes de diffusion de gaz utilisées auparavant sont opaques et incompatibles avec la technologie PEC à énergie solaire.
Désormais, les chercheurs concentrent leurs initiatives sur l’optimisation du système. Quelle est la taille de fibre idéale ? La taille de pores idéale ? Les semi-conducteurs et matériaux membranaires idéaux ? Ce sont des issues qui sont abordées dans le cadre du projet européen “Solar-to-X”, qui se consacre à faire progresser cette technologie et à développer de nouvelles façons de convertir l’hydrogène en carburants liquides.
Réalisation d’électrodes transparentes à diffusion gazeuse
Afin de fabriquer des électrodes de diffusion de gaz transparentes, les chercheurs commencent avec un type de laine de verre, qui est essentiellement des fibres de quartz (également appelées oxyde de silicium) et le transforment en plaquettes de feutre en fusionnant les fibres ensemble à haute température. Ensuite, la plaquette est recouverte d’un film mince clear d’oxyde d’étain dopé au fluor, connu pour son excellente conductivité, sa robustesse et sa facilité de mise à l’échelle. Ces premières étapes aboutissent à une plaquette transparente, poreuse et conductrice, indispensable pour maximiser le get in touch with avec les molécules d’eau de l’air et laisser passer les photons. La plaquette est ensuite recouverte à nouveau, cette fois avec un movie mince de matériaux semi-conducteurs absorbant la lumière du soleil. Cette deuxième couche mince laisse encore passer la lumière, mais apparaît opaque en raison de la grande surface du substrat poreux. En l’état, cette plaquette enrobée peut déjà produire de l’hydrogène flamable une fois exposée à la lumière du soleil.
Les scientifiques ont ensuite construit une petite chambre contenant la plaquette revêtue, ainsi qu’une membrane pour séparer l’hydrogène gazeux produit pour la mesure. Lorsque leur chambre est exposée à la lumière du soleil dans des disorders humides, de l’hydrogène gazeux est produit, réalisant ce que les scientifiques avaient prévu de faire, montrant que le notion d’une électrode transparente à diffusion de gaz pour la production d’hydrogène gazeux à énergie solaire peut être réalisé.
Bien que les scientifiques n’aient pas formellement étudié l’efficacité de la conversion solaire en hydrogène dans leur démonstration, ils reconnaissent qu’elle est modeste pour ce prototype, et actuellement inférieure à ce qui peut être réalisé dans les cellules PEC à foundation de liquide. Sur la base des matériaux utilisés, l’efficacité théorique maximale de conversion solaire en hydrogène de la plaquette revêtue est de 12 %, tandis que les cellules liquides ont été démontrées jusqu’à 19 % d’efficacité.