Depuis des décennies, des chercheurs du monde entier ont cherché des moyens d'utiliser l'énergie solaire pour générer la réaction clé pour produire de l'hydrogène en tant que source d'énergie propre :la division des molécules d'eau pour former de l'hydrogène et de l'oxygène. Cependant, ces efforts ont pour la plupart échoué parce que bien faire était trop coûteux, et essayer de le faire à faible coût a conduit à de mauvaises performances.

Maintenant, des chercheurs de l'Université du Texas à Austin ont trouvé un moyen peu coûteux de résoudre la moitié de l'équation, en utilisant la lumière du soleil pour séparer efficacement les molécules d'oxygène de l'eau. La découverte, publié récemment dans Communication Nature , représente un pas en avant vers une plus grande adoption de l'hydrogène comme élément clé de notre infrastructure énergétique.

Dès les années 1970, les chercheurs étudiaient la possibilité d'utiliser l'énergie solaire pour produire de l'hydrogène. Mais l'incapacité de trouver des matériaux possédant la combinaison de propriétés nécessaires à un appareil capable d'effectuer efficacement les réactions chimiques clés l'a empêché de devenir une méthode courante.

« Vous avez besoin de matériaux qui absorbent bien la lumière du soleil et, à la fois, ne se dégradent pas pendant que les réactions de séparation de l'eau ont lieu, " dit Edward Yu, professeur au département de génie électrique et informatique de la Cockrell School. "Il s'avère que les matériaux qui absorbent bien la lumière du soleil ont tendance à être instables dans les conditions requises pour la réaction de séparation de l'eau, tandis que les matériaux qui sont stables ont tendance à être de mauvais absorbeurs de lumière solaire. Ces exigences contradictoires vous poussent vers un compromis apparemment inévitable, mais en combinant plusieurs matériaux, un qui absorbe efficacement la lumière du soleil, comme le silicium, et un autre qui offre une bonne stabilité, tels que le dioxyde de silicium en un seul appareil, ce conflit peut être résolu."

Cependant, cela crée un autre défi :les électrons et les trous créés par l'absorption de la lumière du soleil dans le silicium doivent pouvoir se déplacer facilement à travers la couche de dioxyde de silicium. Cela nécessite généralement que la couche de dioxyde de silicium ne dépasse pas quelques nanomètres, ce qui réduit son efficacité à protéger l'absorbeur de silicium de la dégradation.

La clé de cette percée réside dans une méthode de création de chemins électriquement conducteurs à travers une épaisse couche de dioxyde de silicium qui peut être réalisée à faible coût et adaptée à des volumes de fabrication élevés. Pour y arriver, Yu et son équipe ont utilisé une technique d'abord déployée dans la fabrication de puces électroniques à semi-conducteur. En enduisant la couche de dioxyde de silicium d'un mince film d'aluminium puis en chauffant l'ensemble de la structure, des matrices de "pointes" d'aluminium à l'échelle nanométrique qui pontent complètement la couche de dioxyde de silicium sont formées. Ceux-ci peuvent ensuite être facilement remplacés par du nickel ou d'autres matériaux qui aident à catalyser les réactions de division de l'eau.

Lorsqu'il est éclairé par la lumière du soleil, les dispositifs peuvent oxyder efficacement l'eau pour former des molécules d'oxygène tout en générant également de l'hydrogène au niveau d'une électrode séparée et présentent une stabilité exceptionnelle lors d'un fonctionnement prolongé. Étant donné que les techniques employées pour créer ces dispositifs sont couramment utilisées dans la fabrication de composants électroniques à semi-conducteurs, ils devraient être faciles à mettre à l'échelle pour une production de masse.

L'équipe a déposé une demande de brevet provisoire pour commercialiser la technologie.

L'amélioration de la façon dont l'hydrogène est généré est la clé de son émergence en tant que source de carburant viable. La majeure partie de la production d'hydrogène aujourd'hui se fait en chauffant de la vapeur et du méthane, mais cela dépend fortement des combustibles fossiles et produit des émissions de carbone.

Il y a une poussée vers « l'hydrogène vert » qui utilise des méthodes plus respectueuses de l'environnement pour produire de l'hydrogène. Et simplifier la réaction de séparation de l'eau est un élément clé de cet effort.

L'hydrogène a le potentiel de devenir une ressource renouvelable importante avec des qualités uniques. Il a déjà un rôle majeur dans d'importants processus industriels, et il commence à apparaître dans l'industrie automobile. Les piles à combustible semblent prometteuses pour le camionnage longue distance, et la technologie de l'hydrogène pourrait être une aubaine pour le stockage d'énergie, avec la capacité de stocker l'excès d'énergie éolienne et solaire produite lorsque les conditions sont réunies pour eux.

Aller de l'avant, l'équipe travaillera à améliorer l'efficacité de la partie oxygène de la séparation de l'eau en augmentant la vitesse de réaction. Le prochain grand défi des chercheurs est alors de passer à l'autre moitié de l'équation.

« Nous avons d'abord été en mesure d'aborder le côté oxygène de la réaction, qui est la partie la plus difficile, " Yu dit, "mais vous devez effectuer à la fois les réactions d'évolution de l'hydrogène et de l'oxygène pour séparer complètement les molécules d'eau, c'est pourquoi notre prochaine étape consiste à appliquer ces idées pour fabriquer des dispositifs pour la partie hydrogène de la réaction. »