Résumé :
Des chercheurs ont récemment développé un nouveau dispositif de « feuille artificielle » inspiré des feuilles naturelles, qui peut utiliser la lumière du soleil pour produire de l'hydrogène propre directement à partir de l'eau de mer polluée, et en même temps décomposer l'hydrazine, un polluant toxique, dans les eaux usées industrielles, réalisant ainsi simultanément les deux fonctions de production d'énergie et de purification de l'eau. Ce résultat a été publié dans la revue "Nature Communications" et est considéré comme fournissant une nouvelle idée plus efficace et plus durable pour la future production d'énergie à base d'hydrogène vert.
L'hydrogène est largement considéré comme l'une des sources d'énergie propre les plus importantes du futur, mais le processus de production d'hydrogène traditionnel nécessite souvent une grande quantité d'énergie. La méthode la plus courante actuellement est l’électrolyse de l’eau, qui utilise le courant électrique pour diviser l’eau en hydrogène et oxygène. Cependant, la plupart des systèmes d’électrolyse dépendent de précieuses ressources en eau douce. Bien que l’eau de mer soit abondante, il est difficile de l’utiliser directement car elle contient une grande quantité d’ions chlorure. Les ions chlorure réduisent non seulement l'efficacité de la réaction, mais peuvent également produire des sous-produits de chloration corrosifs et toxiques, endommageant l'équipement.
Pour surmonter ces problèmes, une équipe de recherche de l'Université technologique de Nanyang à Singapour a conçu un nouveau dispositif alimenté par la lumière. L'appareil peut collecter l'énergie solaire tout comme les feuilles des plantes effectuent la photosynthèse et convertir l'énergie lumineuse directement en énergie électrique nécessaire pour provoquer des réactions chimiques sans avoir besoin d'une alimentation externe supplémentaire.
L'équipe de recherche a introduit un catalyseur composé de fer, de cobalt et de chrome dans la partie anode de l'appareil. Le catalyseur décompose l'hydrazine, un produit chimique hautement toxique que l'on trouve couramment dans les eaux usées industrielles, en hydrogène et en azote. Comparé à la réaction qui produit de l'oxygène dans les processus traditionnels d'électrolyse de l'eau, ce processus d'oxydation de l'hydrazine nécessite moins d'énergie et peut donc améliorer considérablement l'efficacité globale de la production d'hydrogène. Dans le même temps, l'hydrazine en tant que polluant est efficacement éliminée, réalisant ainsi la fonction de purification des eaux usées.
Les chercheurs affirment que cette conception apporte un double avantage. D’une part, la cathode utilise la lumière du soleil pour amener l’eau de mer à produire de l’hydrogène ; d'autre part, l'anode produit également de l'hydrogène supplémentaire tout en traitant de l'hydrazine nocive, augmentant ainsi la production totale d'hydrogène du système. De plus, le catalyseur présente une excellente résistance à la corrosion et ses propriétés électriques, physiques et chimiques peuvent être ajustées en fonction des différentes exigences des applications.
Plus important encore, ce mécanisme de réaction peut également inhiber de manière significative la génération de sous-produits de chlorure nocifs lors de l'électrolyse de l'eau de mer. En raison de la production réduite de substances corrosives et toxiques, la stabilité du fonctionnement et la durée de vie des équipements devraient être améliorées.
Dans la partie conversion photoélectrique, les chercheurs ont utilisé des matériaux pérovskites aux halogénures de plomb pour fabriquer des cathodes. Ce type de matériau semi-conducteur a attiré une grande attention ces dernières années en raison de sa grande efficacité dans l’absorption de l’énergie lumineuse et sa conversion en énergie électrique. Pour éviter que le matériau ne se dégrade en raison de l'environnement marin, l'équipe l'a protégé à l'aide d'une résine époxy conductrice contenant des particules d'argent et de cuivre, ainsi que d'une feuille de titane.
Les résultats expérimentaux montrent que l'appareil peut générer du courant de manière stable, que ce soit dans de l'eau de mer simulée ou dans des échantillons d'eau de mer réels. Sa densité de photocourant atteint 25 milliampères par centimètre carré, ce qui se situe au premier niveau parmi les résultats actuellement rapportés de photocathode à base de pérovskite à base de plomb, indiquant son excellente capacité de conversion de l'énergie solaire.
Le test de stabilité s'est également bien déroulé. Dans des conditions équivalentes à l'intensité de la lumière naturelle du soleil par temps clair, l'appareil fonctionne en continu depuis plus de 72 heures et ses performances restent stables. Dans le même temps, les concentrations d'hydrazine ont été réduites de 0,5 moles par litre à 0,5 parties par milliard (ppb), bien en dessous de la limite de sécurité de 10 ppb de l'Agence américaine de protection de l'environnement.
L'équipe de recherche estime que cette technologie prouve la faisabilité de l'utilisation de l'énergie solaire pour amener directement l'eau de mer à produire de l'hydrogène et simultanément traiter les polluants. Ensuite, ils prévoient d'élargir davantage le champ d'application de la plateforme pour lui permettre de traiter davantage de types de polluants et d'explorer la possibilité de convertir les déchets en carburants ou en produits chimiques industriels, favorisant ainsi le développement intégré des technologies d'énergie verte et de gestion environnementale.
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