Illustration d'artiste de la conception d'une membrane bipolaire pour la production d'électricité ionique. Crédit :William White
Cellules solaires modernes, qui utilisent l'énergie de la lumière pour générer des électrons et des trous qui sont ensuite transportés hors de matériaux semi-conducteurs et dans des circuits externes à usage humain, existent sous une forme ou une autre depuis plus de 60 ans. Peu d'attention a été accordée, cependant, à la promesse d'utiliser la lumière pour entraîner un autre processus de génération d'électricité :le transport de protons et d'hydroxydes de charges opposées obtenus en dissociant des molécules d'eau. Des chercheurs américains rapportent une telle conception, qui a une application prometteuse dans la production d'électricité pour rendre l'eau saumâtre potable, le 15 novembre dans le journal Joule .
Les chercheurs, dirigé par l'auteur principal Shane Ardo, un professeur assistant de chimie, Ingénieur chimiste, et science des matériaux à l'Université de Californie, Irvine, écrivent qu'ils ont conçu un "analogue ionique à la cellule solaire électronique à jonction pn, " exploiter la lumière pour exploiter le comportement de l'eau semblable à un semi-conducteur et générer de l'électricité ionique. Ils espèrent utiliser un tel mécanisme pour fabriquer un appareil qui dessalerait directement l'eau salée lors de l'exposition au soleil.
"Il y avait eu d'autres expériences remontant aux années 1980 qui photoexcitaient des matériaux afin de faire passer un courant ionique à travers eux, et des études théoriques ont dit que ces courants devraient pouvoir atteindre les mêmes niveaux que leurs analogues électroniques, mais aucun d'entre eux n'a très bien fonctionné, " dit le premier auteur William White, un étudiant diplômé du groupe de recherche d'Ardo.
Dans ce cas, les chercheurs ont obtenu plus de succès en permettant à l'eau de s'infiltrer à travers deux membranes échangeuses d'ions, un qui transportait principalement des ions chargés positivement (cations) comme des protons et un qui transportait principalement des ions chargés négativement (anions) comme des hydroxydes, fonctionnant comme une paire de portes chimiques pour atteindre la séparation des charges. Faire briller un laser sur le système a incité des molécules de colorant organique sensibles à la lumière liées à la membrane à libérer des protons, qui a ensuite transporté vers le côté le plus acide de la membrane et a produit un courant ionique mesurable et des tensions de plus de 100 mV dans certains cas (60 mV en moyenne).
Résumé des conceptions de membranes pour la production d'électricité ionique. Crédit :Ardo et al.
Malgré le franchissement parfois du seuil de 100 mV photovoltaïque, le niveau de courant électrique que peut atteindre le système à double membrane reste sa principale limitation. Il faudrait que le photovoltage soit multiplié par plus d'un autre facteur deux pour atteindre la barre des ~200 mV nécessaire au dessalement de l'eau de mer, une cible que les chercheurs sont optimistes quant à l'atteinte.
"Tout se résume à la physique fondamentale de la durée de persistance des porteurs de charge avant de se recombiner pour former de l'eau, " dit Ardo. " Connaissant les propriétés de l'eau, nous sommes en mesure de concevoir plus intelligemment l'une de ces interfaces à membrane bipolaire afin de maximiser la tension et le courant."
À long terme, le dessalement n'est qu'une des applications possibles de la pompe à protons synthétique actionnée par la lumière développée par les chercheurs. Il pourrait également avoir un potentiel d'interfaçage avec des appareils électroniques, ou même pour alimenter la signalisation dans les interfaces cerveau-machine et autres « cellules cyborgs » qui combinent des tissus vivants et des circuits artificiels, un rôle qui ne peut pas être rempli par les cellules solaires traditionnelles, qui sont instables dans les systèmes biologiques.
« Nous avons eu beaucoup d'idées sur l'utilisation de cette technologie ; il s'agit simplement d'apprendre suffisamment pour traverser les domaines et faire fonctionner l'appareil pour les applications prévues, " dit Ardo. " Je pense que ce n'est qu'un autre exemple de ce que vous pouvez faire lorsque vous avez des scientifiques formés dans de nombreuses disciplines et qui sortent des sentiers battus. "
