Les scientifiques ont développé pour la première fois une molécule unique capable d'absorber efficacement la lumière du soleil et d'agir également comme un catalyseur pour transformer l'énergie solaire en hydrogène, une alternative propre au carburant pour des choses comme les véhicules à essence.

Cette nouvelle molécule capte l'énergie de tout le spectre visible, et peut exploiter plus de 50 % d'énergie solaire en plus que les cellules solaires actuelles. Cette découverte pourrait aider les humains à passer des combustibles fossiles à des sources d'énergie qui ne contribuent pas au changement climatique.

Les chercheurs ont présenté leurs conclusions dans une étude publiée aujourd'hui dans Chimie de la nature . L'équipe de recherche était dirigée par Claudia Turro, professeur de chimie et directeur du Ohio State University Center for Chemical and Biophysical Dynamics.

"L'idée est que nous pouvons utiliser les photons du soleil et les transformer en hydrogène. Pour le dire simplement, nous économisons l'énergie de la lumière du soleil et la stockons dans des liaisons chimiques afin qu'elle puisse être utilisée plus tard, " dit Turro.

Les photons sont des particules élémentaires de lumière solaire qui contiennent de l'énergie.

Les chercheurs ont montré, pour la première fois, qu'il est possible de collecter de l'énergie à partir de l'ensemble du spectre visible de la lumière solaire, y compris l'infrarouge à basse énergie, une partie du spectre solaire qui était auparavant difficile à collecter et à transformer, rapidement et efficacement, en hydrogène. L'hydrogène est un carburant propre, ce qui signifie qu'il ne produit pas de carbone ou de dioxyde de carbone en tant que sous-produit de son utilisation.

"Ce qui le fait fonctionner, c'est que le système est capable de mettre la molécule dans un état excité, où il absorbe le photon et est capable de stocker deux électrons pour fabriquer de l'hydrogène, " dit Turro. " Ce stockage de deux électrons dans une seule molécule dérivée de deux photons, et les utiliser ensemble pour produire de l'hydrogène, est sans précédent."

Transformer l'énergie du soleil en, dire, carburant pour une voiture, nécessite d'abord un mécanisme pour collecter l'énergie. Cette énergie doit ensuite être convertie en carburant. La conversion nécessite ce qu'on appelle un catalyseur - une chose qui accélère une réaction chimique, permettant la conversion de l'énergie solaire en énergie utilisable comme l'hydrogène.

La plupart des tentatives précédentes pour collecter l'énergie solaire et la transformer en hydrogène se sont concentrées sur les longueurs d'onde à haute énergie de la lumière du soleil - pensez aux rayons ultraviolets, par exemple.

Les tentatives précédentes se sont également appuyées sur des catalyseurs construits à partir de deux molécules ou plus, qui échangent des électrons - de l'énergie - car ils fabriquent du carburant à partir de l'énergie solaire. Mais l'énergie se perd dans l'échange, rendant ces systèmes multimoléculaires moins efficaces.

Les quelques tentatives qui reposaient sur un catalyseur à molécule unique ont également été inefficaces, Turro a dit, en partie parce qu'ils n'ont pas collecté l'énergie de tout le spectre visible de la lumière solaire, et en partie parce que les catalyseurs eux-mêmes se sont dégradés rapidement.

L'équipe de recherche de Turro a découvert comment fabriquer un catalyseur à partir d'une seule molécule, une forme de l'élément rhodium, ce qui signifie que moins d'énergie est perdue, elle a dit. Et ils ont découvert comment collecter l'énergie de l'infrarouge à l'ultraviolet, tout le spectre visible. Le système conçu par cette équipe de recherche est près de 25 fois plus efficace avec la lumière proche infrarouge à faible énergie que les précédents systèmes à molécule unique fonctionnant avec des photons ultraviolets, selon l'étude.

Dans l'étude, les chercheurs ont utilisé des LED pour éclairer des solutions acides contenant la molécule active. Quand ils l'ont fait, ils ont découvert que de l'hydrogène était produit.

"Je pense que la raison pour laquelle cela fonctionne est que la molécule est difficile à oxyder, " dit-elle. " Et nous devons avoir des énergies renouvelables. Imaginez si nous pouvions utiliser la lumière du soleil pour notre énergie au lieu du charbon, du gaz ou du pétrole, ce que nous pourrions faire pour lutter contre le changement climatique."

Avant que les découvertes de l'équipe de recherche puissent être mises en application dans le monde réel, Turro a dit, il y a encore beaucoup de travail à faire. Le rhodium est un métal rare et la production de catalyseurs à partir du rhodium coûte cher. L'équipe travaille à l'amélioration de cette molécule pour produire de l'hydrogène sur une plus longue période de temps et travaille à la construction du catalyseur à partir de matériaux moins coûteux.