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Les photoélectrodes hybrides font progresser la production de combustible solaire

La photosynthèse artificielle, utilisée lors de la production de combustible solaire, permet d’obtenir des produits chimiques à partir du dioxyde de carbone. HybridSolarFuels a mis au point des techniques de validation du concept pour de futures applications d’énergie renouvelable susceptibles d’offrir des alternatives viables aux combustibles fossiles.

Énergie
Recherche fondamentale

Lors de la production de combustible solaire, la lumière artificielle ou naturelle permet de convertir des molécules abondantes et stables, comme l’eau ou le dioxyde de carbone (CO2), en produits chimiques à haute énergie. Ce processus photoélectrochimique est une technique de production d’énergie durable particulièrement attrayante, car il ne nécessite en principe que l’énergie de la lumière (photons), de l’eau et/ou du CO2 et un catalyseur. Les applications commerciales étant encore dans l’attente d’avancées techniques significatives, le projet HybridSolarFuels (Efficient Photoelectrochemical Transformation of CO2 to Useful Fuels on Nanostructured Hybrid Electrodes), soutenu par le Conseil européen de la recherche, développe une approche très performante, utilisant des photoélectrodes hybrides composées de plusieurs éléments. «La clé pour garantir un haut rendement de conversion solaire à chimique est de concevoir les interfaces en utilisant des matériaux nanostructurés et des processus de synthèse sophistiqués», explique Csaba Janáky, chercheur principal du projet à l’université de Szeged, en Hongrie. Le développement de cellules d’électrolyse à circulation évolutives incarne une autre réalisation du projet. Bien que ces cellules ne puissent être qualifiées de cellules photoélectrochimiques, car elles n’utilisent pas directement la lumière, elles constituent la première étape vers la réalisation de cellules photoélectrochimiques.

Inspiré par la nature

Au départ, HybridSolarFuels a dû relever deux défis majeurs. Le CO2 étant une molécule inerte, il faut beaucoup d’énergie pour le convertir en produits utiles, comme le méthanol. Le choix du bon catalyseur est donc essentiel. Il est difficile de trouver des catalyseurs appropriés et de les intégrer dans des cellules photoélectrochimiques. Le fait que la plupart des recherches précédentes ont été menées dans des lots de cellules constitue un autre défi. Il est difficile de transposer ces résultats dans des applications spécifiques, car les taux de conversion industriels ne peuvent être atteints que dans des cellules à circulation, où le CO2 est alimenté en continu. Dans la photosynthèse naturelle, chaque composant du système a une fonction spécifique. S’inspirant de ce principe, HybridSolarFuels a conçu des électrodes composées de plusieurs éléments: un pour l’absorption de la lumière, un autre pour le transport des porteurs de charge et un pour la réaction catalytique à la surface; ces éléments sont réunis à l’échelle nanométrique. Par exemple, divers semi‑conducteurs de type p ont été utilisés pour absorber la lumière dans l’assemblage de la photoélectrode et l’équipe a fait une découverte inattendue. «Nous avons été parmi les premiers à utiliser directement des films de pérovskite à base d’halogénure de plomb comme photoélectrodes. Cela nous a permis de faire des découvertes importantes concernant le rôle principal que jouent les trous photo‑générés dans les processus de corrosion de ces matériaux passionnants», déclare Csaba Janáky. Après avoir réalisé des études de caractérisation pour déterminer la cristallinité, la morphologie et la composition chimique optimales des nouvelles photoélectrodes, celles‑ci ont été incorporées dans des cellules d’électrolyse à circulation continue, qui ont fait l’objet de diverses études photoélectrochimiques, notamment pour évaluer le rendement de conversion solaire à chimique, c’est‑à‑dire le nombre de photons de la lumière du soleil qui sont effectivement convertis en énergie chimique. «Les photoélectrodes hybrides se sont avérées plus performantes que les électrodes à composant unique», ajoute Csaba Janáky.

Une révolution verte

Le succès du pacte vert pour l’Europe, dont l’objectif est la neutralité carbone d’ici 2050, dépendra de nouvelles technologies révolutionnaires. La conversion de l’énergie solaire en produits chimiques et en combustibles de grande valeur pourrait être l’une de ces technologies. La conversion photoélectrochimique du CO2 serait susceptible de générer des produits chimiques tels que l’acide formique, le monoxyde de carbone, le méthanol et l’éthanol, ce qui permettrait de réduire la demande de matières premières fossiles et donc les émissions de CO2 de l’industrie chimique. L’équipe étudie actuellement la possibilité de remplacer l’oxydation de l’eau dans le processus de réduction électrochimique du CO2 par un processus de plus grande valeur économique. «En tant que sous‑produit de la production de biodiesel, nous disposons maintenant d’un excédent de glycérol susceptible d’être transformé en produits chimiques de grande valeur tels que l’acide formique, utilisé entre autres pour la conservation de l’alimentation du bétail», explique Csaba Janáky. Quant aux applications, l’équipe continue de développer ses cellules photoélectrochimiques à circulation continue.

Mots‑clés

HybridSolarFuels, combustible solaire, photoélectrochimique, dioxyde de carbone, glycérol, cellules d’électrolyse, photoélectrode, semi‑conducteur, électrolyseur, catalyseur, énergie

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