Les chercheurs ont trouvé un moyen d’exploiter l’ensemble du spectre de la lumière solaire

Pour la première fois, les scientifiques ont mis au point une molécule unique capable d’absorber efficacement la lumière du soleil et d’agir 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 recueille l’énergie de tout le spectre visible et peut exploiter plus de 50 % de plus d’énergie solaire 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 Nature Chemistry. L’équipe de recherche était dirigée par Claudia Turro, professeur de chimie et directrice du Centre de dynamique chimique et biophysique de l’Université d’État de l’Ohio.

« L’idée générale est que nous pouvons utiliser les photons du soleil et les transformer en hydrogène. Pour faire simple, nous économisons l’énergie de la lumière du soleil et la stockons dans des liaisons chimiques pour pouvoir l’utiliser plus tard », a déclaré Mme Turro.

Les photons sont des particules élémentaires de la lumière du soleil qui contiennent de l’énergie.

Les chercheurs ont montré, pour la première fois, qu’il est possible de collecter l’énergie de tout le spectre visible de la lumière du soleil – y compris l’infrarouge à faible énergie, une partie du spectre solaire qui était auparavant difficile à collecter – et de la 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 comme sous-produit de son utilisation.

« Ce qui fait que cela fonctionne, c’est que le système est capable de mettre la molécule dans un état excité, où elle absorbe le photon et est capable de stocker deux électrons pour fabriquer de l’hydrogène », a déclaré M. Turro. « Ce stockage de deux électrons dans une seule molécule dérivée de deux photons, et leur utilisation conjointe pour fabriquer de l’hydrogène, est sans précédent ».

Pour transformer l’énergie du soleil en carburant pour une voiture, par exemple, il faut d’abord un mécanisme pour collecter l’énergie. Cette énergie doit ensuite être convertie en carburant. Cette conversion nécessite un catalyseur qui accélère la réaction chimique, permettant la conversion de l’énergie solaire en une 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 les plus énergétiques de la lumière solaire – pensez aux rayons ultraviolets, par exemple.

Les tentatives précédentes se sont également appuyées sur des catalyseurs construits à partir de deux ou plusieurs molécules, qui échangent des électrons – de l’énergie – lorsqu’ils fabriquent du carburant à partir de l’énergie solaire. Mais l’énergie est perdue dans l’échange, ce qui rend ces systèmes multi-moléculaires moins efficaces.

Les quelques tentatives qui reposaient sur un catalyseur à une seule molécule étaient également inefficaces, a déclaré M. Turro, en partie parce qu’elles ne collectaient pas l’énergie de tout le spectre visible de la lumière solaire, et en partie parce que les catalyseurs eux-mêmes se dégradaient rapidement.

L’équipe de recherche de Mme Turro a trouvé 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, a-t-elle dit. Et ils ont trouvé comment collecter l’énergie de l’infrarouge à l’ultraviolet, c’est-à-dire tout le spectre visible. Selon l’étude, 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 une seule molécule fonctionnant avec des photons ultraviolets.

Dans le cadre de cette étude, les chercheurs ont utilisé des LED pour éclairer des solutions acides contenant la molécule active. Ce faisant, 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 », a-t-elle déclaré. « Et nous devons disposer d’une énergie renouvelable. Imaginez simplement que nous puissions 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, a déclaré Mme Turro, il reste encore beaucoup de travail à faire. Le rhodium est un métal rare et la production de catalyseurs à partir de ce métal est coûteuse. L’équipe travaille à l’amélioration de cette molécule pour produire de l’hydrogène sur une plus longue période et s’efforce de construire le catalyseur à partir de matériaux moins coûteux.

Via Phys.org

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