Un nouveau, dispositif de photosynthèse artificielle stable double l'efficacité de l'exploitation de la lumière du soleil pour séparer l'eau douce et l'eau salée, produire de l'hydrogène qui peut ensuite être utilisé dans les piles à combustible.

L'appareil pourrait également être reconfiguré pour transformer le dioxyde de carbone en carburant.

L'hydrogène est le combustible le plus propre, avec de l'eau comme seule émission. Mais la production d'hydrogène n'est pas toujours respectueuse de l'environnement. Les méthodes conventionnelles nécessitent du gaz naturel ou de l'électricité. La méthode avancée par le nouvel appareil, appelé séparation solaire directe de l'eau, n'utilise que l'eau et la lumière du soleil.

"Si nous pouvons stocker directement l'énergie solaire comme combustible chimique, comme ce que la nature fait avec la photosynthèse, nous pourrions résoudre un défi fondamental des énergies renouvelables, " dit Zetian Mi, professeur de génie électrique et informatique à l'Université du Michigan qui a dirigé la recherche à l'Université McGill à Montréal.

Faqrul Alam Chowdhury, étudiante au doctorat en génie électrique et informatique à McGill, dit que le problème avec les cellules solaires est qu'elles ne peuvent pas stocker l'électricité sans batteries, qui ont un coût global élevé et une durée de vie limitée.

L'appareil est fabriqué à partir des mêmes matériaux largement utilisés que les cellules solaires et autres appareils électroniques, y compris le silicium et le nitrure de gallium (souvent présents dans les LED). Avec une conception prête pour l'industrie qui fonctionne uniquement avec la lumière du soleil et l'eau de mer, l'appareil ouvre la voie à la production à grande échelle de carburant hydrogène propre.

Les précédents séparateurs d'eau solaires directs ont atteint un peu plus de 1% d'efficacité stable solaire-hydrogène en eau douce ou salée. D'autres approches souffrent de l'utilisation de coûteux, matériaux inefficaces ou instables, comme le dioxyde de titane, cela pourrait également impliquer l'ajout de solutions très acides pour atteindre des rendements plus élevés.

Mi et son équipe, cependant, atteint plus de 3 % d'efficacité solaire-hydrogène. Pour atteindre cette efficacité stable, l'équipe a construit un paysage urbain de taille nanométrique composé de tours de nitrure de gallium qui ont généré un champ électrique. Le nitrure de gallium s'éclaire, ou photons, en électrons mobiles et en lacunes chargées positivement appelées trous. Ces charges libres divisent les molécules d'eau en hydrogène et oxygène.

"Lorsque cette plaquette spécialement conçue est touchée par des photons, le champ électrique aide à séparer les électrons et les trous photogénérés pour entraîner efficacement la production de molécules d'hydrogène et d'oxygène, " a déclaré Chowdhury.

Maintenant, le support en silicium de la puce ne contribue pas à sa fonction, mais il pourrait faire plus. La prochaine étape pourrait consister à utiliser le silicium pour aider à capturer la lumière et les porteurs de charge d'entonnoir vers les tours de nitrure de gallium.

« Bien que l'efficacité de 3 % puisse sembler faible, dans le contexte des 40 ans de recherche sur ce procédé, c'est en fait une grande percée, " dit Mi. " La photosynthèse naturelle, selon la façon dont vous le calculez, a une efficacité d'environ 0,6 pour cent.

Il ajoute que 5% d'efficacité est le seuil de commercialisation, mais son équipe vise une efficacité de 20 ou 30 pour cent.

Mi mène des recherches similaires pour éliminer le dioxyde de carbone de son oxygène afin de transformer le carbone résultant en hydrocarbures, comme le méthanol et le gaz de synthèse. Cette voie de recherche pourrait potentiellement éliminer le dioxyde de carbone de l'atmosphère, comme le font les plantes.

"C'est la partie vraiment excitante, " dit Mi.

L'appareil est documenté dans l'étude, "Un système de photosynthèse artificielle à diode photochimique pour une séparation globale sans assistance de l'eau pure à haute efficacité, " Publié dans Communication Nature . Avec Mi et Chowdhury, les co-auteurs incluent Michel Trudeau du Centre d'excellence en électrification des transports et stockage d'énergie, Hydro-Québec, et Hong Guo de l'Université McGill.