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Vers une photosynthèse artificielle
La nature sait comment cela fonctionne – la recherche en principe également
Un approvisionnement énergétique durable est sur toutes les lèvres. Les entreprises investissent en ce sens et les scientifiques du monde entier recherchent des alternatives à l'énergie issue du pétrole et du gaz naturel. À l'Université de Zurich, par exemple, le grand projet de recherche «LightChEC» a été lancé début 2013. L'orientation de ce projet de recherche universitaire est la suivante : «De l'énergie solaire à l'énergie chimique.» Les chercheurs impliqués souhaitent affiner la photosynthèse artificielle pour qu'elle puisse approvisionner l'économie et la société en énergie. Avec Andreas Borgschulte, Karl-Heinz Ernst et Andreas Züttel, trois scientifiques de l'Empa sont impliqués dans la recherche «LightChEC». En outre, Ernst et Züttel font partie du comité directeur.
La nature montre l'exemple
Depuis la nuit des temps, les arbres, les joncs, les herbes et même les algues réalisent la photosynthèse. À cet effet, elles produisent dans leurs cellules ce colorant naturellement vert qu'est la chlorophylle. À l'aide de la lumière du soleil, les parties des plantes contenant de la chlorophylle transforment le dioxyde de carbone (CO2) et l'eau en oxygène et glucose, soit en dextrose. Ce dernier sert de source d'énergie aux plantes, tandis que l'oxygène est rejeté. Ainsi, les forêts sont souvent appelées « poumons verts ».
La photosynthèse artificielle vise à reproduire son modèle naturel. Au fond, il s'agit moins de la production de sucre que de la « simple » division de l'eau en hydrogène et oxygène à l'aide de la lumière du soleil. L'hydrogène ainsi acquis sert soit de support énergétique, par exemple pour l'entraînement de véhicules à pile combustible ou il est utilisé pour la synthèse d'hydrocarbures comme le méthane – le composant principal du gaz naturel –, l'éthane, le propane ou l'octane (liquide).
Actuellement, les chercheurs poursuivent diverses idées pour copier la photosynthèse naturelle, comme l'explique Andreas Borgschulte, scientifique de l'Empa. Selon l'approche la plus simple, l'eau est séparée en hydrogène et en oxygène par électrolyse, via le courant solaire. Récolter la lumière du soleil avec des panneaux solaires et pratiquer l'électrolyse de l'eau sont des processus réalisés en principe séparément. Sur le plan microscopique, il est cependant possible de les combiner, explique Borgschulte. On parle alors de photoélectrolyse dans des cellules dites photoélectrochimiques, qui sont également appelées – d'après la désignation anglaise – des cellules PEC. Les chercheurs de l'Empa ont déjà présenté ce procédé en 2014. On peut l'imaginer sous la forme d'un récipient rempli d'eau avec une photoanode et une contre-électrode. La photoanode absorbe la lumière du soleil et livre le courant pour la division de l'eau. Ainsi, la procédure peut être réalisée sans cellule solaire. Les cellules PEC atteignent actuellement une efficacité d'env. 5 pour cent. Autrement dit, un vingtième de l'énergie solaire « capturée » est transformée en énergie chimique – en hydrogène.
Un procédé prometteur
Récemment, les scientifiques de « LightChEC » ont réussi à imiter l'ensemble du processus dans un système moléculaire au sein d'une solution aqueuse – ainsi, les électrodes utilisées dans les cellules PEC ne sont plus nécessaires. On appelle ce procédé photocatalyse. Grâce à lui, les chercheurs se rapprochent bien plus du modèle naturel qu'avec les cellules PEC.
Cependant, l'efficacité du procédé développé dans le cadre de « LightChEC » ne peut pas encore être comparée à l'efficacité des cellules PEC. Ainsi, il faut encore optimiser diverses étapes, par exemple en améliorant les colorants similaires à la chlorophylle ou les catalyseurs pour la division de l'eau.
Mais outre leur efficacité relativement élevée, les cellules PEC offrent également un autre avantage : elles peuvent être utilisées dès aujourd'hui. Au même titre l’électrolyse avec courant photovoltaïque est employée au présent, par exemple, dans le démonstrateur de mobilité « move » de l'Empa : avec lui, l'Empa souhaite démontrer comment l'excédent de courant issu des installations photovoltaïques et hydrauliques peut être utilisé efficacement pour une mobilité durable, par exemple pour charger directement les voitures électriques ou pour fabriquer et accumuler l'hydrogène ou le méthane.
À la recherche de meilleurs catalyseurs
Les chercheurs de l'Empa ont déjà bien affiné le procédé correspondant. Cependant, ils veulent l'optimiser davantage encore. C'est pourquoi ils cherchent notamment à catalyseurs toujours meilleurs. L'efficacité de la réaction du CO2 et de l'hydrogène avec le méthane en dépend notamment. Par un système d'analyse ultra-moderne, les chercheurs de l'Empa veulent mieux comprendre le fonctionnement de tels catalyseurs, soit le mécanisme de réaction moléculaire, et ainsi lancer tôt ou tard sur le marché la génération d'énergie par photosynthèse artificielle.
Le craquage de l'eau à l'aide de cellules photoélectrochimiques demande des matériaux photoactifs stables et puissants. La recherche se penche notamment sur des matériaux pour la photoanode, qui récolte la lumière du soleil. Mais tous les matériaux utilisés jusqu'à présent impliquent des pertes d'efficacité dus à divers mécanismes et réduisent donc l'efficacité de la photoélectrolyse.
Il y a peu de temps, un groupe de recherche du département de l'Empa « Materials for Energy Conversion » a présenté une stratégie permettant d'éliminer les sources de perte : l'équipe de chercheurs autour de Simone Pokrant a recouvert la photoanode de plusieurs couches de différents matériaux, ce qui a permis à chaque couche d'éliminer un mécanisme de perte. La combinaison de toutes les couches a nettement augmenté l'efficacité générale de la cellule photoélectrochimique. Le procédé de l'équipe de l'Empa peut même être assez facilement élargi, ce qui permet de prendre en compte l'éventualité d'une utilisation plus vaste.
Début mai 2016, Simone Pokrant, chef de projet, a été nommée professeure à la Haute École de Technique et d’Économie de la Sarre. C'est à ce poste qu'elle commencera dès le mois de juin à étudier les stockeurs électrochimiques d'énergie, et poursuivra, entre autres, son travail sur les cellules photoélectrochimiques. À l'Empa, Simone Pokrant a concentré ses recherches depuis 2012 sur le développement de matériaux pour le craquage photoélectrochimique de l'eau, pour les batteries et les matières colorantes luminescentes.
Source
S Landsmann, S Surace, M Trottmann, S Dilger, A Weidenkaff, S Pokrant (2016) Controlled Design of Functional Nano-Coatings: Reduction of Loss Mechanisms in Photoelectrochemical Water Splitting, Applied Materials & Interfaces, DOI: 10.1021/acsami.6b01129