La nouvelle technologie est un pas en avant significatif pour l’énergie propre et pourrait servir de plate-forme pour un large éventail de réactions chimiques qui utilisent l’électricité solaire pour convertir les matières premières en carburants.

Le laboratoire de l’ingénieur chimiste et biomoléculaire Aditya Mohite a construit le photoréacteur intégré à l’aide d’une barrière anticorrosion qui isole le semi-conducteur de l’eau sans entraver le transfert d’électrons. Selon une étude publiée dans Communication Naturel’appareil a atteint une efficacité de conversion solaire-hydrogène de 20,8 %.

« 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 d’énergie propre », a déclaré Austin Fehr, doctorant en génie chimique et biomoléculaire et l’un des principaux auteurs de l’étude. « Notre objectif est de construire des plates-formes économiquement réalisables capables de générer des carburants d’origine solaire. Ici, nous avons conçu un système qui absorbe la lumière et complète la chimie électrochimique de séparation de l’eau à sa surface. »

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 les faibles rendements et le coût élevé des semi-conducteurs.

« Tous les appareils 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 a une efficacité record et il utilise un semi-conducteur très bon marché », a déclaré Fehr.

Le laboratoire Mohite et ses collaborateurs ont créé l’appareil 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 qu’ils ont dû surmonter était que les pérovskites aux halogénures 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.

« Au cours des deux dernières années, nous avons fait des allers-retours en essayant différents matériaux et techniques », a déclaré Michael Wong, ingénieur chimiste de Rice et co-auteur de l’étude.

Après de longs essais qui n’ont pas donné le résultat souhaité, les chercheurs ont finalement trouvé une solution gagnante.

« Notre idée clé était que vous aviez besoin de deux couches pour la barrière, une pour bloquer l’eau et une pour établir un bon contact électrique entre les couches de pérovskite et la couche protectrice », a déclaré Fehr. « Nos résultats sont les plus efficaces pour les cellules photoélectrochimiques sans concentration solaire, et les meilleurs dans l’ensemble pour celles qui utilisent des semi-conducteurs halogénures pérovskites.

« C’est une première pour un domaine qui a toujours été dominé par des semi-conducteurs d’un coût prohibitif, et peut représenter une voie vers la faisabilité commerciale de ce type de dispositif pour la toute première fois », a déclaré Fehr.

Les chercheurs ont montré que leur conception de barrière fonctionnait pour différentes réactions et avec différents semi-conducteurs, ce qui la rend applicable à de nombreux systèmes.

« Nous espérons que de tels systèmes serviront de plate-forme pour conduire une large gamme d’électrons vers des réactions de formation de carburant en utilisant des matières premières abondantes avec uniquement la lumière du soleil comme apport énergétique », a déclaré Mohite.

« Avec de nouvelles améliorations de la stabilité et de l’échelle, cette technologie pourrait ouvrir l’économie de l’hydrogène et changer la façon dont les humains fabriquent les choses, des combustibles fossiles aux combustibles solaires », a ajouté Fehr.

Les étudiants diplômés de Rice Ayush Agrawal et Faiz Mandani sont les principaux auteurs de l’étude aux côtés de Fehr. Le travail a également été rédigé en partie par le National Renewable Energy Laboratory, qui est exploité par Alliance for Sustainable Energy LLC pour le ministère de l’Énergie sous le contrat DE-AC36-08GO28308.

Mohite est professeur agrégé de génie chimique et biomoléculaire et directeur de la faculté de la Rice Engineering Initiative for Energy Transition and Sustainability, ou REINVENTS. Wong est professeur Tina et Sunit Patel en nanotechnologie moléculaire, président et professeur de génie chimique et biomoléculaire, et professeur de chimie, de science des matériaux et de nanotechnologie, ainsi que de génie civil et environnemental.

La recherche a été soutenue par le ministère de l’Énergie (DE-EE0008843), SARIN Energy Inc. et la Shared Equipment Authority de Rice.