Des chimistes de l’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne ont mis au point une feuille artificielle solaire, basée sur une nouvelle électrode transparente et poreuse, capable de capter l’eau atmosphérique et la convertir en hydrogène. Cette technologie semi- conductrice est simple à fabriquer et à mettre en œuvre à grande échelle comme l’explique le texte ci-dessous tiré des éléments fournis par le service communication de l’école lausannoise.

Les plantes récoltent naturellement  le CO2 et l’eau de leur environnement puis, grâce à l’impulsion énergétique de la lumière solaire, convertissent ces molécules en sucres et en amidon pour assurer leur croissance. C’est la photosynthèse. Les électrodes transparentes à
diffusion de gaz Conçues par Kevin Sivula et son équipe peuvent être revêtues d’un matériau semi-conducteur qui récupère la lumière. Le système agit comme une feuille, en récoltant l’énergie de la lumière naturelle et l’eau de l’atmosphère pour produire de l’hydrogène. L’énergie solaire est stockée sous forme de liens hydrogène. Les résultats seront publiés le 4 janvier 2023 dans Advanced Materials.

Kevin Sivula, du laboratoire de l’EPFL d’ingénierie moléculaire des nanomatériaux optoélectroniques rappelle que « la lumière du jour est la forme la plus abondante d’énergie renouvelable, et nous nous efforçons de développer des manières économiquement viables pour produire des carburants solaires.»

S’inspirer des feuilles des végétaux

Dans leurs travaux pour des carburants renouvelables non fossiles, les ingénieurs de l’EPFL, en collaboration avec Toyota Motor Europe, se sont inspirés de la capacité des plantes à convertir la lumière du jour en énergie chimique en exploitant le dioxyde de carbone présent dans l’atmosphère. transformer l’eau – présente dans l’air à l’état gazeux – en hydrogène.

Mais il fallait créer des dispositifs adaptés. Kevin Sivula et d’autres groupes de recherche ont déjà démontré que l’on peut réaliser une photosynthèse artificielle en générant de l’hydrogène à partir d’eau et de lumière solaire avec une cellule photo-électrochimique ( PEC)  qui exploite la lumière incidente pour stimuler un matériau photosensible, par exemple un semi-conducteur, que l’on immerge dans une solution liquide pour entraîner une réaction chimique. Le processus présente des désavantages, il est compliqué de produire  des dispositifs PEC à large surface qui tirent parti du liquide.

Kevin Sivula voulait montrer que l’on peut adapter la technologie PEC pour récolter l’humidité atmosphérique. Son équipe a montré que les cellules électrochimiques fonctionnent avec les gaz plutôt que les liquides. Mais jusqu’ici, les électrodes à diffusion de gaz étaient opaques et incompatibles avec la technologie solaire PEC.

Au lieu de produire des électrodes « traditionnelle « à couches opaques, le substrat des électrodes du système conçu à l’EPFL est un maillage tridimensionnel de fibres de verre. «Il était difficile de développer notre prototype, parce que les électrodes transparentes à diffusion de gaz n’avaient jamais fait l’objet d’une précédente démonstration», explique Marina Caretti, auteure en charge de l’étude. «Pour chaque étape, il nous fallait mettre au point de nouvelles procédures. Mais, puisque chaque étape est relativement simple et facile à passer à l’échelon supérieur, je crois que notre approche ouvrira de nouveaux horizons pour toute une variété d’applications, en commençant avec les substrats à diffusion de gaz pour la production solaire d’hydrogène.»

Du liquide à l’humidité atmosphérique

Les scientifiques se penchent désormais sur l’optimisation du système : taille idéale des fibres, largeur parfaite des pores,  meilleurs matériaux de semi-conducteurs et de membranes. Ils travaillent dans le cadre du projet européen “Sun-to-X”, dédié à l’avancement de cette technologie et au développement de nouvelles manières de convertir l’hydrogène en carburants liquides.
Fabriquer des électrodes transparentes à diffusion de gaz
Pour des électrodes transparentes à diffusion de gaz, les scientifiques ont commencé avec une sorte de laine de verre, essentiellement de fibres de quartz (ou oxyde de silicium), transformées en plaques de feutre, fusionnées à haute température. Les plaques sont revêtues d’un film transparent d’oxyde d’étain augmenté au fluor, connu pour son excellente conductivité, sa robustesse et la facilité de le produire en masse.
Ces premières étapes donnent une plaque transparente, poreuse et conductrice, essentielle pour maximiser le contact avec les molécules d’eau de l’air en  laissant passer les photons. La plaque est recouverte d’un film fin de matériaux semi-conducteurs qui absorbent la lumière. Cette couche laisse encore passer la lumière, bien qu’elle semble opaque à cause de la large surface du substrat poreux. La plaquette peut déjà produire de l’hydrogène quand on l’expose au Soleil.
Les scientifiques onaussi développé une petite chambre qui contient la plaque  et une membrane pour séparer le gaz produit, afin de procéder à des mesures. Quand on expose la chambre à la lumière sous conditions humides, on produit de l’hydrogène. Les scientifiques n’ont pas formellement étudié l’efficacité de la conversion, qui reste modeste avec ce prototype, inférieures aux performances cellules PEC basées sur les liquides. Avec les matériaux actuels, l’efficacité théorique maximale de la plaque pour la conversion solaire-hydrogène est de 12%, alors qu’on a démontré une efficacité de 19% pour les cellules basées sur les liquides.