Production de gaz hydrogène directement à partir de l’énergie solaire

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8 juillet 2015

Des chercheurs du Laboratoire fédéral d’essai des matériaux et de recherche (Empa) ont développé une cellule photoéletrochimique (PEC) [1]. Basée sur une imitation de l’œil de mite, qui capte un maximum de lumière en en réfléchissant le moins possible, la photoanode de la cellule PEC est constituée de sphérules composées de matériaux peu coûteux (oxyde de fer et oxyde de tungstène). Cette combinaison permet d’atteindre l’énergie nécessaire à la scission de l’eau en dihydrogène et dioxygène.

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Fonctionnement de la cellule solaire « à œil de mite » : scission en H2 et O2 des molécules d’eau à l’aide du rayonnement solaire. Crédits : Empa

Un processus de fabrication a dû être élaboré pour créer cette photoanode. De minuscules gouttelettes d’une solution de sel de tungstène sont enfermées dans des particules de polymères pulvérisées sur une plaque de verre. Les particules forment ainsi une couche de billes collées côte à côte. Cet ensemble est passé au four, ce qui permet de brûler le polymère et de transformer la solution de sel de tungstène en sphérules d’oxyde de tungstène. Du sel de fer est ensuite pulvérisé sur ces sphérules, puis l’ensemble est repassé au four pour transformer ce sel en oxyde de fer. Cette couche d’oxyde de fer doit être ultramince (de l’ordre du nanomètre), afin de minimiser la mauvaise conductivité de ce matériau, qui pour autant a l’avantage d’absorber une partie importante des longueurs d’ondes de la lumière émise par le soleil et d’être stable. Cette faible épaisseur ne permettant pas d’absorber une grande quantité du rayonnement solaire, les sphérules d’oxyde de tungstène de couleur jaune profond vont permettre de piéger la lumière qui, après avoir été réfléchie plusieurs fois au sein des sphérules, sera absorbée en totalité. Son énergie sera ainsi suffisante pour permettre la scission de l’eau.

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Comment se crée la cellule solaire à œil de mite et comment elle capte la lumière. Crédits : Empa

Des essais expérimentaux ont été conduits en parallèle avec des simulations sur ordinateurs afin de valider l’efficacité de « capture de la lumière ». Plus les sphérules sont petites, plus la quantité de lumière qui parvient sur l’oxyde de fer qui les recouvre est grande. Les prochains travaux se pencheront sur l’étude d’un montage avec plusieurs couches de sphérules superposées.

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[1] Pour rappel : les cellules photoélectrochimiques (PEC) permettent la scission de la molécule d’eau en dihydrogène et dioxygène directement à partir du rayonnement solaire sans passer par le transport de courant électrique. Le principe de fonctionnement de la cellule PEC se déroule comme suit. La photoanode est en contact avec une solution aqueuse (eau + électrolyte). Les photons du rayonnement solaire arrivant sur la photoanode apportent l’énergie nécessaire à l’éjection d’électrons et ainsi à la formation de trous. Ces trous vont permettre l’oxydation de l’eau pour produire des molécules d’oxygène (gaz dioxygène, O2). Il y a donc scission des molécules d’eau en O2 et en ions hydrogène H+. Tandis que les électrons produits à la photoanode sont transportés vers la cathode via la connexion électrique, les ions hydrogènes sont transportés vers la cathode au sein de la solution aqueuse pour réagir avec les électrons selon une réaction de réduction et former ainsi du dihydrogène (gaz H2).

Pour en savoir plus, contacts :

  • Florent Boudoire – Laboratoire des Céramiques hautes performances, Dübendorf – tél : +41 58 765 45 97 – email : florent(point)boudoire(arobase)empa(point)ch - http://www.empa.ch
  • Dr. Artur Braun – Laboratoire des Céramiques hautes performances, Dübendorf – tél : +41 58 765 48 50 – email : artur(point)braun(arobase)empa(point)ch – http://www.empa.ch

Sources :

Rédacteur(s) :
Eloïse Capéran - eloise.caperan[a]diplomatie.gouv.fr