Une randonneuse est désorientée lors d'une randonnée dans le désert lorsqu'elle tombe sur une flaque d'eau sèche laissée par une pluie récente.

Consumé par la soif, à des kilomètres de chez moi, le randonneur doit décider s'il doit boire et risquer une infection par les bactéries présentes dans la flaque d'eau, ou subir une déshydratation. Mais ce randonneur pourra peut-être un jour boire sans souci, grâce à un nouveau type de purificateur d'eau qui utilise la lumière du soleil et de l'eau pour produire du peroxyde d'hydrogène, un antiseptique puissant et commun.

Le purificateur d'eau expérimental, développé dans le laboratoire de Xiaolin Zheng, professeur agrégé de génie mécanique, est une variante du procédé plus connu consistant à utiliser l'énergie solaire pour séparer l'eau en hydrogène, un combustible propre, et de l'oxygène, un élément vital. Mais, comme l'équipe le décrit dans le journal Matériaux énergétiques avancés , au lieu de séparer complètement l'oxygène et l'hydrogène, le nouveau procédé réduit l'oxygène et oxyde l'eau pour produire du peroxyde d'hydrogène, ou H 2 O 2 .

Même une petite quantité purifiera l'eau, elle dit. Le peroxyde d'hydrogène désinfecte l'eau à un niveau de dizaines de parties par million. C'est environ deux cuillères à soupe dans 25 gallons d'eau. Dans les tests utilisant l'eau du robinet, le système de Stanford a facilement atteint plus de 400 parties par million de H 2 O 2 en cinq heures.

Zheng dit que l'équipe devra changer certains des matériaux au cours du processus pour rendre son mélange d'eau ordinaire et de peroxyde d'hydrogène sûr à boire. Mais ils pensent qu'un jour, une personne désespérée pourrait sortir son purificateur solaire léger, verser de l'H2O suspecte et, suffisamment de temps, produire suffisamment de H 2 O 2 grâce au processus activé par le soleil pour transformer toute eau douce en une véritable oasis.

En plus des futures applications d'eau potable, Zheng et Xinjian Shi, l'étudiant diplômé menant le projet, imaginez également que leur système pourrait être adapté en piscines autonomes purifiées avec du peroxyde d'hydrogène créé par l'énergie solaire plutôt que du chlore, ou des stations de purification d'eau à énergie solaire destinées à être utilisées dans des régions en développement où l'eau douce est une denrée précieuse.

Matières premières abondantes

Le prototype se composait de deux électrodes, une anode et une cathode, jeté dans l'eau. L'anode était en vanadate de bismuth (BiVO4), un semi-conducteur photosensible. Le carbone simple servait de cathode. Lorsqu'il est exposé au soleil, le semi-conducteur de vanadate de bismuth a envoyé des électrons chargés négativement s'écoulant vers la cathode, tandis que les porteurs chargés positivement - ou "trous" comme on les appelle en physique - refluaient vers l'anode. Le flux d'électrons a transformé l'oxygène en peroxyde d'hydrogène tandis que les trous agissaient pour transformer l'eau en peroxyde d'hydrogène, former le composé de purification aux deux électrodes.

Il s'agit d'une nouvelle approche de ce qui est connu dans les cercles d'ingénieurs sous le nom de système photoélectrochimique (PEC). Les systèmes PEC ont été beaucoup étudiés depuis les années 1970 pour leur capacité à convertir la lumière du soleil en carburant et autres produits chimiques utiles, comme l'hydrogène et l'oxygène. Des expériences PEC antérieures ont produit du peroxyde d'hydrogène, mais aucune de ces expériences précédentes n'a été aussi réussie que la présente recherche.

"Le nôtre est un système sans assistance, " Shi dit, "Il ne nécessite aucun apport d'énergie et seulement de la lumière, l'eau et l'oxygène pour travailler. L'eau est le « carburant » de notre système. En réalité, ça marche avec de l'eau du robinet."

Curieusement, le système produit du peroxyde d'hydrogène des deux côtés de la réaction, à l'anode et à la cathode. A la fin de tout, il reste même une petite quantité d'électricité, en raison de l'efficacité des réactions chimiques. Bien qu'il ne s'agisse pas d'une grande quantité, qu'une énergie supplémentaire pourrait être utilisée pour allumer une ampoule LED comme indicateur que le système fonctionne correctement, disent les chercheurs, laisser le propriétaire assoiffé boire en toute confiance.

"Nous pensons qu'il s'agit d'une nouvelle direction dans le fractionnement de l'eau PEC, qui nécessite généralement des apports d'énergie supplémentaires pour fonctionner, " dit Zheng.

Travailler à l'avance

Les chercheurs considèrent cet article comme une preuve de concept et affirment qu'il reste beaucoup de travail avant que les purificateurs produisant du peroxyde d'hydrogène ne deviennent monnaie courante. Plus important encore, le vanadate de bismuth - l'anode - est lui-même toxique et devrait être remplacé par un autre matériau tout aussi photosensible.

Dr Samira Siahrostami, co-auteur de l'étude et ingénieur de recherche au SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis à Stanford, a choisi le vanadate de bismuth comme anode pour ce prototype en raison de son efficacité et de sa capacité à générer du peroxyde d'hydrogène. Aller de l'avant, les chercheurs prévoient d'identifier d'autres matériaux d'anode stables, efficace et sûr pour la purification de l'eau.

Zheng et Shi suggèrent également qu'ils pourraient remplacer la cathode de carbone par un matériau différent qui est également photosensible (le carbone ne l'est pas). Une telle conception exploiterait une plus grande gamme de lumière solaire pour améliorer encore l'efficacité du système.