Les ingénieurs de l’université Rice ont mis au point un dispositif capable de convertir la lumière du soleil en hydrogène avec une efficacité sans précédent. Le dispositif, une cellule photoélectrochimique, incorpore des semi-conducteurs pérovskites halogénés de nouvelle génération et des électrocatalyseurs. Il constitue une plateforme potentielle pour les réactions chimiques utilisant l’énergie solaire pour convertir les matières premières en carburants. (Concept d’artiste.)
Des ingénieurs de l’Université Rice établissent une nouvelle norme pour la technologie de l’hydrogène vert.
Les ingénieurs de l’université Rice peuvent transformer 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 dispositif unique, durable, rentable et évolutif.
Cette nouvelle technologie constitue une avancée significative en matière d’énergie propre et pourrait servir de plateforme pour un large éventail de réactions chimiques utilisant l’électricité solaire pour convertir des matières premières en carburants.
Sommaire
Conception révolutionnaire d’un photoréacteur
Le laboratoire d’Aditya Mohite, spécialisé dans l’ingénierie 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 l’indique une étude publiée dans Nature Communications, le dispositif affiche un rendement impressionnant de 20,8 % pour la conversion de l’énergie solaire en hydrogène.
Un photoréacteur développé par le groupe de recherche Mohite de l’Université de Rice et ses collaborateurs a atteint un rendement de conversion solaire en hydrogène de 20,8 %. Crédit : Gustavo Raskosky/Université de Rice
Austin Fehr, doctorant en génie chimique et biomoléculaire et l’un des principaux auteurs de l’étude, a souligné l’importance de ce travail. « L’utilisation de la lumière du soleil comme source d’énergie pour fabriquer des produits chimiques est l’un des plus grands obstacles à une économie basée sur les énergies propres. Notre objectif est de construire des plateformes économiquement viables capables de générer des carburants dérivés du soleil. Ici, nous avons conçu un système qui absorbe la lumière et complète la chimie électrochimique de séparation de l’eau sur sa surface.
Surmonter les défis des cellules photoélectrochimiques
Le dispositif est connu sous le nom de 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 toutes dans le même dispositif. Jusqu’à présent, l’utilisation de la technologie photoélectrochimique pour produire de l’hydrogène vert était entravée par de faibles rendements et le coût élevé des semi-conducteurs.
Série de quatre images fixes d’un échantillon vidéo montrant comment un photoréacteur de l’université de Rice sépare les molécules d’eau et génère de l’hydrogène lorsqu’il est stimulé par une lumière solaire simulée. Crédit : Laboratoire Mohite/Université de Rice
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 de l’eau, mais le nôtre est exceptionnel parce qu’il a une efficacité record et qu’il utilise un semi-conducteur très bon marché. »
Parcours de l’innovation et perspectives d’avenir
Le laboratoire Mohite et ses collaborateurs ont créé le dispositif en transformant leur cellule solaire hautement compétitive en un réacteur capable d’utiliser l’énergie récoltée pour diviser l’eau en oxygène et en hydrogène. Le défi qu’ils ont dû relever était que les pérovskites halogénées sont extrêmement instables dans l’eau et que les revêtements utilisés pour isoler les semi-conducteurs finissaient soit par perturber leur fonction, soit par les endommager.
Ayush Agrawal (de gauche à droite), Faiz Mandani et Austin Fehr. Crédit : Gustavo Raskosky/Rice University
« Au cours des deux dernières années, nous avons fait des allers-retours en essayant différents matériaux et techniques », a déclaré Michael Wong, ingénieur chimiste à Rice et coauteur de l’étude.
Après de longs essais qui n’ont pas donné le résultat escompté, les chercheurs ont finalement trouvé une solution gagnante.
« Notre principale idée était qu’il fallait deux couches pour la barrière, l’une pour bloquer l’eau et l’autre pour établir un bon contact électrique entre les couches de pérovskite et la couche protectrice », a déclaré M. Fehr. « Nos résultats sont les plus élevés pour les cellules photoélectrochimiques sans concentration solaire, et les meilleurs dans l’ensemble pour celles qui utilisent des semi-conducteurs pérovskites halogénés.
Michael Wong est titulaire de la chaire Tina et Sunit Patel de nanotechnologie moléculaire de l’université Rice, président et professeur d’ingénierie chimique et biomoléculaire, et professeur de chimie, de science des matériaux et de nanotechnologie, ainsi que d’ingénierie civile et environnementale. Crédit : Michael Wong/Université de Rice
« Il s’agit d’une première dans un domaine historiquement dominé par les semi-conducteurs, dont le coût est prohibitif, et qui pourrait ouvrir la voie à la faisabilité commerciale de ce type de dispositif pour la toute première fois », a déclaré M. Fehr.
Aditya Mohite est professeur agrégé d’ingénierie chimique et biomoléculaire et directeur de la faculté de la Rice Engineering Initiative for Energy Transition and Sustainability, ou REINVENTS. Crédit : Aditya Mohite/Université de Rice
Les chercheurs ont montré que la conception de leur barrière fonctionnait pour différentes réactions et avec différents semi-conducteurs, ce qui la rendait applicable à de nombreux systèmes.
« Nous espérons que ces systèmes serviront de plateforme pour conduire une large gamme d’électrons à des réactions de formation de carburant en utilisant des matières premières abondantes avec seulement la lumière du soleil comme source d’énergie », a déclaré M. Mohite.
« En améliorant encore la stabilité et l’échelle, cette technologie pourrait ouvrir la voie à l’économie de l’hydrogène et changer la façon dont les humains fabriquent les choses, en passant des combustibles fossiles aux combustibles solaires », a ajouté M. Fehr.
Référence : « Integrated halide perovskite photoelectrochemical cells with solar-driven water-splitting efficiency of 20.8% » par Austin M. K. Fehr, Ayush Agrawal, Faiz Mandani, Christian L. Conrad, Qi Jiang, So Yeon Park, Olivia Alley, Bor Li, Siraj Sidhik, Isaac Metcalf, Christopher Botello, James L. Young, Jacky Even, Jean Christophe Blancon, Todd G. Deutsch, Kai Zhu, Steve Albrecht, Francesca M. Toma, Michael Wong et Aditya D. Mohite, 26 juin 2023, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-023-39290-y
Les étudiants diplômés de Rice Ayush Agrawal et Faiz Mandani sont les auteurs principaux de l’étude aux côtés de Fehr. Ces travaux ont également été réalisés en partie par le National Renewable Energy Laboratory, qui est géré par Alliance for Sustainable Energy LLC pour le ministère de l’énergie dans le cadre du contrat DE-AC36-08GO28308.
Mohite est professeur agrégé d’ingénierie chimique et biomoléculaire et directeur de la faculté de la Rice Engineering Initiative for Energy Transition and Sustainability, ou REINVENTS. Wong est titulaire de la Tina and Sunit Patel Professor in Molecular Nanotechnology, président et professeur d’ingénierie chimique et biomoléculaire, et professeur de chimie, de science des matériaux et de nanotechnologie, ainsi que d’ingénierie civile et environnementale.
Cette recherche a été soutenue par le ministère de l’énergie (DE-EE0008843), SARIN Energy Inc. et l’autorité de Rice chargée des équipements partagés.