Des chercheurs de l'université technologique de Nanyang ont construit une feuille artificielle alimentée à l'énergie solaire qui produit de l'hydrogène à partir de l'eau de mer tout en décomposant l'hydrazine, un polluant toxique présent dans les eaux usées industrielles.
Une équipe de l'Université technologique de Nanyang (NTU) à Singapour a présenté une feuille artificielle qui produit de l'hydrogène à partir d'eau de mer grâce à la seule énergie solaire. Ce dispositif détruit également l'hydrazine, un produit chimique hautement toxique présent dans certaines eaux usées industrielles. Il permet ainsi de produire un carburant propre et de dépolluer les eaux usées en une seule étape.
Les chercheurs ont publié leurs travaux dans la revue Nature Communications . L'équipe était dirigée par la professeure Lydia H. Wong, de l'École des sciences et de l'ingénierie des matériaux de l'Université technologique de Nanyang (NTU).
Pourquoi l'eau de mer est dure
La plupart des électrolyseurs traitent de l'eau douce purifiée. L'eau de mer est bien plus abondante, mais sa salinité pose problème. Lorsqu'un courant électrique la traverse, les ions chlorure ont tendance à former des composés chlorés corrosifs et toxiques.
Ces composés corrodent les électrodes et génèrent leurs propres déchets. Par conséquent, la production d'hydrogène à partir d'eau de mer nécessite généralement un dessalement préalable coûteux, ou des électrodes résistantes à la corrosion.
L'approvisionnement en eau douce est déjà une préoccupation majeure pour les projets de pôles hydrogène dans les régions côtières arides, notamment en Australie, au Moyen-Orient et en Afrique du Nord. L'utilisation directe de l'eau de mer permettrait d'atténuer cette pression. Cette solution conviendrait également aux États insulaires comme Singapour, qui dispose d'une stratégie nationale pour l'hydrogène mais de ressources en eau douce limitées.
Le dispositif de l'Université technologique de Nanyang (NTU) contourne en grande partie ce problème. L'équipe a équipé l'anode d'un catalyseur qui décompose l'hydrazine en hydrogène et en azote. Simultanément, la réaction empêche la formation de composés chlorés.
Une cathode en pérovskite
De l'autre côté du dispositif, les chercheurs ont fabriqué la cathode à partir de pérovskites d'halogénures de plomb. Ces matériaux cristallins absorbent efficacement la lumière et la convertissent en électricité à faible coût. Ils suscitent un vif intérêt dans la recherche solaire depuis une dizaine d'années. De plus, leur fabrication à partir de solutions à basse température permet de réduire les coûts.
Ici, la photocathode en pérovskite a atteint une densité de photocourant de 25 milliampères par centimètre carré. La densité de photocourant mesure la quantité de courant produite par le dispositif par unité de surface éclairée. L'équipe affirme que cette valeur est parmi les plus élevées jamais rapportées pour les cathodes en pérovskite à base de plomb.
L'appareil a également maintenu une production stable pendant plus de 72 heures sous un éclairage équivalent à celui du plein soleil par temps clair. Parallèlement, il a produit de l'hydrogène à un rythme comparable à celui d'appareils solaires similaires.
Nettoyage de l'eau au fur et à mesure
Fonctionnant sans tension externe, la feuille est auto-alimentée. En d'autres termes, la lumière du soleil suffit à alimenter les deux réactions, sans consommation d'électricité du réseau ni d'une batterie. Lors des tests, elle a dégradé l'hydrazine à moins d'une partie par milliard en une trentaine d'heures. De fait, le dispositif a éliminé la quasi-totalité du polluant de la solution testée.
L'hydrazine est utilisée dans des procédés industriels, notamment la fabrication de produits chimiques, et comme propergol pour fusées. Toxique pour l'homme et la faune aquatique, elle nécessite un traitement rigoureux des eaux usées qui en contiennent. Un dispositif permettant de l'éliminer lors de la production de carburant pourrait transformer les coûts d'élimination en une petite source de valeur.
Les chercheurs derrière l'innovation. De gauche à droite : Dr Stener Lie, Dr Anupam Sadhu, Professeur Lydia H. Wong et Dr Hao Zhe Chun de l'École de science et d'ingénierie des matériaux de NTU. Crédit : NTU Singapour
Obstacles avant le passage à l'échelle
Ces résultats, obtenus à l'échelle du laboratoire, soulèvent encore plusieurs questions importantes. Les pérovskites présentent une faiblesse connue : elles se dégradent sous l'effet de l'humidité, de la chaleur et d'une exposition prolongée à la lumière. Trois jours de fonctionnement stable constituent un résultat encourageant pour ce type de matériau, même si les systèmes commerciaux doivent fonctionner pendant des années.
L'utilisation du plomb soulève également des questions pour tout dispositif destiné à être immergé. Les ingénieurs devraient démontrer que le matériau reste étanche sur le long terme. De plus, le passage de petites cellules de laboratoire à de grands panneaux entraîne généralement une baisse d'efficacité.
Néanmoins, ces travaux viennent enrichir un ensemble croissant de méthodes de production directe d'hydrogène solaire, notamment grâce à des matériaux solaires multicouches qui accélèrent l'électrolyse de l'eau . Pour les sites industriels côtiers, produire de l'hydrogène à partir d'eau de mer tout en traitant les eaux polluées représente une solution intéressante. La prochaine étape consiste à démontrer la viabilité de ce concept en conditions réelles, hors laboratoire.
