Un appareil de photosynthèse artificielle qui améliore son efficacité au fil du temps

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À l’heure où les sources d’énergies fossiles s’épuisent toujours plus rapidement, les scientifiques explorent d’autres sources d’énergie qui, en plus d’être renouvelables, seraient respectueuses de l’environnement. Pour cela, les chercheurs ont pris exemple sur la nature et plus particulièrement sur la photosynthèse. Il existe déjà des appareils opérant une photosynthèse artificielle, mais ceux-ci s’usent généralement rapidement et doivent être fréquemment remplacés. Récemment, une équipe de physiciens a mis au point un nouveau dispositif photosynthétique dont l’efficacité, au lieu de diminuer, augmente avec le temps. 

Des dispositifs qui imitent le processus naturel de la photosynthèse, dans lequel les plantes utilisent la lumière du Soleil pour transformer l’eau et le dioxyde de carbone en énergie, pourraient un jour nous aider à résoudre un certain nombre de problèmes environnementaux. Des chercheurs ont développé un nouveau type de technologie qui peut non seulement reproduire ce processus pour produire de l’hydrogène propre, mais aussi subir des changements morphologiques pendant l’utilisation qui le rendent plus efficace au fil du temps.

La recherche a été menée par des scientifiques de l’Université du Michigan (UM) et du Lawrence Livermore National Laboratory, qui travaillaient avec un appareil de photosynthèse artificielle précédemment développé par l’ingénieur UM Zetian Mi. L’appareil promettait une forme plus propre de production d’hydrogène, qui implique généralement l’utilisation de gaz naturel ou d’énergie électrique, en exploitant à la place la lumière du Soleil pour séparer l’eau douce et l’eau salée et générer de l’hydrogène pour une utilisation dans les piles à combustible.

Construit à partir de silicium et de nitrure de gallium, des matériaux couramment utilisés dans l’électronique et les cellules solaires, l’appareil offrait une impressionnante efficacité solaire-hydrogène de 3%, par rapport à l’efficacité de 1% offerte par les appareils précédents. Il y est parvenu grâce à une mosaïque de nitrure de gallium sur un support en silicium, qui a transformé la lumière du Soleil en électrons libres, qui à leur tour divisent l’eau en hydrogène et oxygène.

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Une efficacité qui augmente avec le temps

Ces résultats ont été publiés en 2018, mais les chercheurs ont continué à étudier l’appareil pour mieux comprendre les raisons de son efficacité supérieure. Dans la dernière étude, l’équipe a utilisé une gamme de techniques avancées de microscopie et de spectroscopie pour observer les matériaux en action et a découvert quelques surprises.

groupements nitrure gallium electrons
Vue en microscopie électronique des groupements de nitrure de gallium à l’origine de l’efficacité du nouveau dispositif. © Faqrul A. Chowdhury et al. 2021

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Alors que les performances d’un appareil de photosynthèse artificielle devraient normalement diminuer en quelques heures à mesure que les matériaux s’usent, celui-ci est en fait devenu plus efficace avec le temps. Les observations des auteurs ont révélé qu’au fur et à mesure que le système était utilisé, les groupements de nitrure de gallium formaient de nouveaux sites de production d’hydrogène en absorbant l’oxygène et en acquérant de nouvelles propriétés, devenant un matériau connu sous le nom d’oxynitrure de gallium.

« Nous avons découvert une propriété inhabituelle dans le matériau, qui lui permet de devenir plus efficace et plus stable. Notre découverte change vraiment la donne. Je n’ai jamais vu une telle stabilité », explique Francesca Toma, auteure principale de l’étude. Pour leurs prochaines étapes, les scientifiques expérimenteront le matériau dans le cadre d’une cellule photoélectrochimique complète pour la division de l’eau, ce qui comprendra l’exploration de la manière dont des matériaux similaires pourraient rendre ces systèmes encore plus stables.

« La collaboration a aidé à identifier les mécanismes fondamentaux qui expliquent pourquoi ce matériau devient plus robuste et efficace au lieu de se dégrader. Les résultats de ce travail nous aideront à concevoir et à construire des dispositifs de photosynthèse artificielle plus efficaces à moindre coût », conclut Mi.

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Sources : Nature Materials

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