(Phys.org) - À la suite de la triste nouvelle selon laquelle le dioxyde de carbone atmosphérique est maintenant à son plus haut niveau depuis au moins trois millions d'années, une avancée importante dans la course au développement de sources d'énergie renouvelables neutres en carbone a été réalisée. Des scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département américain de l'Énergie (DOE) ont signalé le premier nanosystème entièrement intégré pour la photosynthèse artificielle. Alors que "feuille artificielle" est le terme populaire pour un tel système, la clé de ce succès était une « forêt artificielle ».

"Semblable aux chloroplastes des plantes vertes qui effectuent la photosynthèse, notre système photosynthétique artificiel est composé de deux absorbeurs de lumière semi-conducteurs, une couche interfaciale pour le transport de charges, et co-catalyseurs spatialement séparés, " dit Peidong Yang, un chimiste à la Division des sciences des matériaux du Berkeley Lab, qui a mené cette recherche. "Pour faciliter la séparation solaire de l'eau dans notre système, nous avons synthétisé des hétérostructures arborescentes de nanofils, constitué de troncs de silicium et de branches d'oxyde de titane. Visuellement, des matrices de ces nanostructures ressemblent beaucoup à une forêt artificielle."

Yang, qui occupe également des postes au département de chimie et au département de science et d'ingénierie des matériaux de l'Université de Californie à Berkeley, est l'auteur correspondant d'un article décrivant cette recherche dans la revue Lettres nano . L'article s'intitule "Un nanosystème entièrement intégré de nanofils semi-conducteurs pour la division solaire directe de l'eau". Les co-auteurs sont Chong Liu, Jinyao Tang, Hao Ming Chen et Bin Liu.

Les technologies solaires sont les solutions idéales pour une énergie renouvelable neutre en carbone - il y a suffisamment d'énergie dans une heure de lumière solaire mondiale pour répondre à tous les besoins humains pendant un an. Photosynthèse artificielle, dans lequel l'énergie solaire est directement convertie en combustibles chimiques, est considérée comme l'une des technologies solaires les plus prometteuses. Un défi majeur pour la photosynthèse artificielle est de produire de l'hydrogène à un prix suffisamment bas pour concurrencer les combustibles fossiles. Relever ce défi nécessite un système intégré capable d'absorber efficacement la lumière du soleil et de produire des porteurs de charge pour entraîner des demi-réactions séparées de réduction de l'eau et d'oxydation.

"Dans la photosynthèse naturelle, l'énergie de la lumière solaire absorbée produit des porteurs de charge énergisés qui exécutent des réactions chimiques dans des régions séparées du chloroplaste, ", déclare Yang. "Nous avons intégré notre hétérostructure nanométrique à nanofils dans un système fonctionnel qui imite l'intégration dans les chloroplastes et fournit un modèle conceptuel pour de meilleures efficacités de conversion solaire-carburant à l'avenir."

Lorsque la lumière du soleil est absorbée par les molécules de pigment dans un chloroplaste, un électron sous tension est généré qui se déplace de molécule en molécule à travers une chaîne de transport jusqu'à ce qu'il entraîne finalement la conversion du dioxyde de carbone en sucres glucidiques. Cette chaîne de transport d'électrons est appelée "schéma en Z" parce que le modèle de mouvement ressemble à la lettre Z sur son côté. Yang et ses collègues utilisent également un schéma en Z dans leur système, mais ils déploient deux semi-conducteurs abondants et stables sur Terre - du silicium et de l'oxyde de titane - chargés de co-catalyseurs et avec un contact ohmique inséré entre eux. Du silicium a été utilisé pour la photocathode génératrice d'hydrogène et de l'oxyde de titane pour la photoanode génératrice d'oxygène. L'architecture arborescente a été utilisée pour maximiser les performances du système. Comme des arbres dans une vraie forêt, les réseaux denses d'arbres de nanofils artificiels suppriment la réflexion de la lumière solaire et offrent une plus grande surface pour les réactions produisant du carburant.

"Lors de l'illumination, des paires électron-trou photo-excitées sont générées dans de l'oxyde de silicium et de titane, qui absorbent différentes régions du spectre solaire, ", dit Yang. "Les électrons photo-générés dans les nanofils de silicium migrent vers la surface et réduisent les protons pour générer de l'hydrogène tandis que les trous photo-générés dans les nanofils d'oxyde de titane oxydent l'eau pour développer des molécules d'oxygène. Les porteurs de charge majoritaires des deux semi-conducteurs se recombinent au contact ohmique, compléter le relais du schéma Z, similaire à celle de la photosynthèse naturelle.

Sous la lumière du soleil simulée, ce système intégré de photosynthèse artificielle à base de nanofils a atteint un rendement de conversion solaire-carburant de 0,12 %. Bien que comparable à certaines efficacités de conversion photosynthétiques naturelles, ce taux devra être sensiblement amélioré pour un usage commercial. Cependant, la conception modulaire de ce système permet d'incorporer facilement des composants individuels nouvellement découverts pour améliorer ses performances. Par exemple, Yang note que la sortie de photocourant des cathodes en silicium et des anodes en oxyde de titane du système ne correspond pas, et que la sortie de photocourant plus faible des anodes limite les performances globales du système.

"Nous avons de bonnes idées pour développer des photoanodes stables avec de meilleures performances que l'oxyde de titane, ", a déclaré Yang. "Nous sommes convaincus que nous serons en mesure de remplacer les anodes en oxyde de titane dans un avenir proche et d'augmenter l'efficacité de la conversion d'énergie jusqu'à des pourcentages à un chiffre."