Dispositif de production d'hydrogène solaire révolutionnaire : transformer la lumière du soleil en énergie propre

Les ingénieurs de l'Université Rice ont développé un dispositif capable de convertir la lumière du soleil en hydrogène avec une efficacité sans précédent. Le dispositif, une cellule photoélectrochimique, intègre des semi-conducteurs pérovskites halogénés de nouvelle génération et des électrocatalyseurs. Il constitue une plate-forme potentielle pour les réactions chimiques utilisant l'énergie solaire pour convertir les matières premières en carburants. (Concept de l'artiste.)

Nouvelle norme pour la technologie de l'hydrogène vert établie par les ingénieurs de Rice U.

Les ingénieurs de l'Université Rice peuvent convertir la lumière du soleil en hydrogène avec une efficacité record grâce à un dispositif qui combine des semi-conducteurs pérovskites halogénés de nouvelle génération avec des électrocatalyseurs dans un seul dispositif durable, rentable et évolutif.

La nouvelle technologie représente une avancée significative pour l'énergie propre et pourrait servir de plate-forme pour un large éventail de réactions chimiques utilisant l'électricité récoltée par le biais du soleil pour convertir les matières premières en carburants.

Le laboratoire d'Aditya Mohite, spécialisé en génie chimique et biomoléculaire, a dirigé la construction de ce photoréacteur intégré. Un élément clé de la conception du dispositif est une barrière anticorrosion qui isole efficacement le semi-conducteur de l'eau sans entraver le transfert d'électrons. Comme le rapporte une étude publiée dans Nature Communications, le dispositif affiche un impressionnant rendement de conversion solaire en hydrogène de 20,8%.

Un photoréacteur développé par le groupe de recherche de Rice University Mohite et ses collaborateurs a atteint un rendement de conversion solaire en hydrogène de 20,8%. Crédit : Gustavo Raskosky/Rice University

Austin Fehr, doctorant en génie chimique et biomoléculaire et l'un des principaux auteurs de l'étude, a souligné l'importance de ce travail. "Utiliser la lumière du soleil comme source d'énergie pour fabriquer des produits chimiques est l'un des plus grands obstacles à une économie verte. Notre objectif est de construire des plates-formes économiquement viables qui peuvent générer des carburants dérivés du soleil. Ici, nous avons conçu un système qui absorbe la lumière et réalise la chimie d'électrolyse de l'eau sur sa surface."

Le dispositif est appelé une cellule photoélectrochimique car l'absorption de la lumière, sa conversion en électricité et l'utilisation de l'électricité pour alimenter une réaction chimique se produisent tous dans le même dispositif. Jusqu'à présent, l'utilisation de la technologie photoélectrochimique pour produire de l'hydrogène vert était entravée par des rendements faibles et le coût élevé des semi-conducteurs.

Série de quatre images fixes extraites d'une vidéo montrant comment un photoréacteur de Rice University sépare les molécules d'eau et génère de l'hydrogène lorsqu'il est stimulé par une lumière solaire simulée. Crédit : laboratoire de Mohite/Rice University

Fehr a expliqué la particularité de leur invention : "Tous les dispositifs de ce type produisent de l'hydrogène vert en utilisant uniquement la lumière du soleil et l'eau, mais le nôtre est exceptionnel car il possède une efficacité record et utilise un semi-conducteur très bon marché."

Le laboratoire de Mohite et ses collaborateurs ont créé le dispositif en transformant leur cellule solaire hautement compétitive en un réacteur qui pourrait utiliser l'énergie récoltée pour séparer l'eau en oxygène et en hydrogène. Le défi auquel ils devaient faire face était que les pérovskites halogénées sont extrêmement instables dans l'eau et que les revêtements utilisés pour isoler les semi-conducteurs finissaient par perturber leur fonctionnement ou les endommager.

"Pendant les deux dernières années, nous avons essayé différentes matières et techniques", a déclaré Michael Wong, ingénieur chimiste à Rice et co-auteur de l'étude.

Après de longs essais qui ont échoué à donner le résultat souhaité, les chercheurs ont finalement trouvé une solution gagnante.

"Notre idée clé était qu'il fallait deux couches pour la barrière, une pour bloquer l'eau et une pour assurer un bon contact électrique entre les couches de pérovskite et la couche de protection", a déclaré Fehr. "Nos résultats sont les rendements les plus élevés pour des cellules photoélectrochimiques sans concentration solaire, et les meilleurs en général pour celles utilisant des pérovskites halogénées."

Michael Wong est le professeur en nanotechnologie moléculaire du Rice University, président et professeur de génie chimique et biomoléculaire, et professeur de chimie, de sciences des matériaux et de nanotechnologie, ainsi que de génie civil et environnemental. Crédit : Michael Wong/Rice University

"C'est une première pour un domaine qui a historiquement été dominé par des semi-conducteurs prohibitivement chers, et cela pourrait représenter un chemin vers la viabilité commerciale pour ce type de dispositif pour la première fois de l'histoire", a déclaré Fehr.

Aditya Mohite is an associate professor of chemical and biomolecular engineering and the faculty director of the Rice Engineering Initiative for Energy Transition and Sustainability, or REINVENTS. Credit: Aditya Mohite/Rice University

The researchers showed their barrier design worked for different reactions and with different semiconductors, making it applicable across many systems.

“We hope that such systems will serve as a platform for driving a wide range of electrons to fuel-forming reactions using abundant feedstocks with only sunlight as the energy input,” Mohite said.

“With further improvements to stability and scale, this technology could open up the hydrogen economy and change the way humans make things from fossil fuel to solar fuel,” Fehr added.