De l’hydrogène grâce au soleil

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février 2018
À Rennes, le doctorant Dong Fu(2) crée des électrodes à base de silicium recouvert d’un matériau spécial (catalyseur). Plongés dans l’eau, ces fils métalliques produisent de l’hydrogène grâce à la lumière.
Nicolas Guillas

L’énergie solaire permet de créer de l’hydrogène. Les chimistes rennais améliorent cette production.

De l’eau et de la lumière. Ce sont les seules sources nécessaires aux chercheurs de l’Institut des sciences chimiques de Rennes(1) pour produire de l’hydrogène. Contrairement à d’autres scientifiques, qui utilisent d’abord des panneaux solaires pour convertir la lumière en électricité, avant de fabriquer de l’hydrogène par électrolyse, les Rennais ont opté pour un système plus simple. Ils trempent dans l’eau des électrodes en matériaux semi-conducteurs. Ceux-ci, comme le silicium ou le dioxyde de titane, ont la propriété de délivrer des charges électriques lorsqu’ils sont exposés à la lumière. Les charges servent à dissocier l’eau en hydrogène et en oxygène.

Obtenir un rendement important

Cette technique, appelée photoélectrolyse, existe depuis les années 70. Mais ce n’est qu’avec la recherche de nouvelles sources d’énergies renouvelables qu’elle revient au premier plan. Les matériaux utilisés pour l’instant sont trop coûteux pour rendre la technique viable. L’enjeu est donc d’obtenir un rendement important avec des matériaux moins chers. Le silicium est l’un d’eux. Il peut être obtenu en quantité suffisante et est déjà utilisé dans l’électronique, ce qui faciliterait le passage à la phase de production industrielle.

La réalisation d’une électrolyse nécessite deux électrodes, l’une doit être efficace pour produire de l’oxygène, l’autre de l’hydrogène. En ce moment, les chimistes rennais améliorent les performances de chacune d’elles séparément, en les couplant à une électrode classique, reliée à une source d’électricité.

« Quand nous aurons optimisé les deux électrodes, nous pourrons les réunir en un seul système, capable d’absorber et de convertir les charges pour les transférer à l’eau », prévoit Bruno Fabre, chimiste dans l’équipe Matière condensée et systèmes électroactifs. Ces mesures s’effectuent à l’abri de la lumière du jour, sous une source lumineuse standardisée.

Gain énorme

Le problème est d’éviter que les semi-conducteurs ne s’abîment trop vite : les charges libérées ont tendance à réagir avec les électrodes, plutôt qu’avec l’eau. Résultat, en cinq minutes, le système n’est plus utilisable : les électrodes sont dissoutes ou recouvertes d’une couche isolante qui ne laisse plus passer les charges ! « Nous avons cherché un moyen de protéger les électrodes, en les recouvrant d’une couche de quelques nanomètres d’un matériau qui laisse passer la lumière et le courant », détaille Gabriel Loget, un chimiste de l’équipe. Pour protéger le silicium, les chercheurs ont testé récemment des oxydes métalliques. Ces matériaux leur ont permis de réaliser plus de quarante heures d’électrolyse d’affilée sans perte d’activité, un gain énorme par rapport aux cinq minutes initiales !

« Un autre challenge consiste à augmenter l’efficacité du système », poursuit Gabriel Loget. Dans ce but, les chercheurs creusent des micro- ou nanostructures dans le matériau semi-conducteur. Cela augmente sa surface pour la réception de la lumière et le transfert des charges.

Dernier levier

Enfin, un dernier levier est l’utilisation de catalyseurs moléculaires, qui favorisent la dissociation de l’eau. Pour ce volet, les spécialistes de l’électrochimie sont allés voir leurs collègues de l’étage du dessous, experts en catalyse. « Nous nous sommes associés l’an dernier, complète Rafael Gramage-Doria, de l’équipe Organométalliques, matériaux et catalyse. Un étudiant en master, coordonné par nos deux équipes, modifie et teste l’efficacité catalytique de différentes molécules, à base de métaux peu onéreux comme le fer. » À suivre !

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Maryse Chabalier

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