Un dispositif solaire produit de l'énergie

Une équipe scientifique de l'Université de technologie Nanyang (NTU) à Singapour a mis au point un appareil fonctionnant à l'énergie solaire. Ce dispositif est capable de produire de l'hydrogène à partir d'eau de mer tout en décomposant simultanément le hydrazine, une substance reconnue comme étant un polluant industriel extrêmement toxique. Les auteurs de cette étude qualifient leur approche de double usage, combinant la fabrication de carburant propre et le traitement des eaux usées grâce à l'utilisation directe de la lumière du soleil pour alimenter les réactions chimiques nécessaires.

L'inspiration conceptuelle provient de la photosynthèse naturelle, plus précisément de la manière dont les feuilles absorbent la lumière solaire. Le système fonctionne sans nécessiter de source d'énergie externe supplémentaire, s'appuyant exclusivement sur le rayonnement solaire pour générer l'électricité qui pilote les processus chimiques. Cette configuration permet d'obtenir de l'hydrogène et de neutraliser les contaminants présents dans l'eau en une seule opération.

Optimisation de l'électrolyse marine

Habituellement, l'hydrogène vert est obtenu par électrolyse, un procédé où le courant électrique scinde les molécules d'eau en hydrogène et en oxygène. L'utilisation d'eau de mer pourrait rendre cette méthode plus durable en évitant le recours à l'eau douce et les étapes coûteuses de dessalement. Cependant, la présence d'ions chlorure dans l'eau salée perturbe souvent l'électrolyse classique et peut engendrer des composés chlorés corrosifs et toxiques, endommageant les électrodes.

Pour contourner ces obstacles, le groupe dirigé par la professeure Lydia Wong, de la faculté des sciences et ingénierie des matériaux, a modifié la réaction se produisant à l'anode. L'électrode positive intègre désormais un catalyseur composé de fer, de cobalt et de chrome. Cet assemblage chimique transforme le hydrazine en hydrogène et en azote plutôt que de produire de l'oxygène. Comme cette alternative demande moins d'énergie que la génération traditionnelle d'oxygène, le rendement énergétique global s'améliore. De plus, l'anode élimine le polluant tout en augmentant la production d'hydrogène, fusionnant ainsi assainissement et synthèse de carburant.

Performances sous illumination simulée

Les chercheurs ont fabriqué la cathode à base de pérovskite à halogénure de plomb, un matériau semi-conducteur efficace pour convertir la lumière en électricité. Pour protéger cet élément contre la dégradation durant le fonctionnement, ils ont employé une résine époxy conductrice chargée de particules d'argent et de cuivre, associée à des feuilles de titane.

Les tests effectués avec de l'eau de mer synthétique et réelle ont démontré la stabilité du courant électrique généré sous éclairage. L'appareil a atteint une densité de courant photo-induit de 25 milliampères par centimètre carré, mesurée sur la surface illuminée de l'électrode. Le système a maintenu son activité pendant plus de 72 heures sous une intensité lumineuse équivalente à celle d'un ciel dégagé terrestre. La production d'hydrogène s'est établie à un rythme de 466 micromoles par centimètre carré et par heure, un taux comparable à celui d'autres dispositifs solaires existants.

Réduction drastique des polluants

Outre la production de gaz, le dispositif a prouvé sa capacité à traiter les effluents industriels sans nécessiter de séparation préalable des contaminants. En 30 heures, la concentration initiale de hydrazine, fixée à 0,5 molaire (environ 1,6 % en poids), a chuté à 0,5 partie par milliard. Ce niveau final reste inférieur de plus de vingt fois à la limite autorisée par l'Agence américaine de protection de l'environnement, qui est de 10 parties par milliard.

Dans un communiqué, la professeure Wong a souligné que ce système à double fonction représentait une avancée majeure pour les technologies environnementales. Elle a indiqué qu'en exploitant efficacement l'énergie solaire pour décomposer un polluant toxique tout en créant un carburant propre, la solution répondait simultanément aux défis énergétiques et écologiques. James Durant, professeur de chimie photochimique, a également commenté les résultats obtenus par l'équipe.