Nouvelle norme pour la technologie de l’hydrogène vert établie par les ingénieurs de l’Université Rice.
Les ingénieurs de l’Université Rice peuvent se tourner la lumière du soleil en hydrogène avec une efficacité record grâce à un appareil qui combine nouvelle génération semi-conducteurs aux halogénures et aux pérovskites* avec électrocatalyseurs dans un appareil unique, durable, économique et évolutif.
Selon selon une étude publié dans Nature Communications, l'appareil a atteint un rendement de conversion solaire en hydrogène de 20.8 %.
La nouvelle technologie constitue une avancée significative en matière d'énergie propre et pourrait servir de plate-forme à un large éventail de réactions chimiques utilisant l'électricité solaire récoltée pour se convertir. matières premières en carburants.
Le laboratoire d'ingénieur chimiste et biomoléculaire Aditya Mohite construit le photoréacteur intégré en utilisant une barrière anticorrosion qui isole le semi-conducteur de l'eau sans entraver le transfert d'électrons.
"L'utilisation de la lumière solaire comme source d'énergie pour fabriquer des produits chimiques est l'un des plus grands obstacles à une économie d'énergie propre", a déclaré Austin Fehr, doctorant en génie chimique et biomoléculaire et l'un des principaux auteurs de l'étude.
« Notre objectif est de construire des plates-formes économiquement réalisables capables de générer des carburants d’origine solaire. Ici, nous avons conçu un système qui absorbe la lumière et complète l'électrochimie chimie de séparation de l'eau à sa surface. »
L'appareil est connu sous le nom de cellule photoélectrochimique car l'absorption de la lumière, sa conversion en électricité et l'utilisation de l'électricité pour alimenter une réaction chimique se produisent toutes dans le même appareil. Jusqu’à présent, l’utilisation de la technologie photoélectrochimique pour produire de l’hydrogène vert était entravée par le faible rendement et le coût élevé des semi-conducteurs.
"Tous les appareils de ce type produisent de l'hydrogène vert en utilisant uniquement la lumière du soleil et l'eau, mais le nôtre est exceptionnel car il a une efficacité record et utilise un semi-conducteur très bon marché", a déclaré Fehr.
La Laboratoire Mohite et ses collaborateurs ont créé l'appareil en tournant leur cellule solaire très compétitive dans un réacteur qui pourrait utiliser l’énergie récupérée pour diviser l’eau en oxygène et hydrogène.
Le défi qu’ils ont dû surmonter était que les pérovskites aux halogénures* sont extrêmement instables dans l’eau et que les revêtements utilisés pour isoler les semi-conducteurs finissaient par perturber leur fonctionnement ou les endommager.
"Au cours des deux dernières années, nous avons essayé différents matériaux et techniques", a déclaré Michael Wong, ingénieur chimiste chez Rice et co-auteur de l'étude.
Après de longs essais qui n’ont pas donné le résultat souhaité, les chercheurs ont finalement trouvé une solution gagnante.
"Notre idée clé était qu'il fallait deux couches pour la barrière, une pour bloquer l'eau et une pour établir un bon contact électrique entre les couches de pérovskite et la couche protectrice", a déclaré Fehr.
«Nos résultats sont les plus efficaces pour les cellules photoélectrochimiques sans concentration solaire, et les meilleurs dans l'ensemble pour celles utilisant des semi-conducteurs aux halogénures pérovskites.
"C'est une première dans un domaine historiquement dominé par les semi-conducteurs d'un coût prohibitif, et cela pourrait représenter une voie vers la faisabilité commerciale de ce type de dispositif pour la toute première fois", a déclaré Fehr.
Les chercheurs ont montré que leur conception de barrière fonctionnait pour différentes réactions et avec différents semi-conducteurs, ce qui la rendait applicable à de nombreux systèmes.
"Nous espérons que de tels systèmes serviront de plate-forme pour conduire un large éventail d'électrons vers des réactions de formation de carburant en utilisant des matières premières abondantes avec uniquement la lumière du soleil comme apport d'énergie", a déclaré Mohite.
"Avec de nouvelles améliorations en termes de stabilité et d'échelle, cette technologie pourrait ouvrir l'économie de l'hydrogène et changer la façon dont les humains fabriquent des produits, du combustible fossile au combustible solaire", a ajouté Fehr.
pérovskite – Ce minéral a une conductivité plus élevée que le silicium et est moins fragile. Il est également beaucoup plus abondant sur Terre. Au cours de la dernière décennie, des efforts considérables ont conduit à des développements spectaculaires, mais son adoption dans l’optoélectronique du futur reste un défi.
Les cellules photovoltaïques à pérovskite sont encore instables et subissent un vieillissement prématuré. De plus, ils contiennent du plomb, une matière très nocive pour l'environnement et la santé humaine. Pour ces raisons, les panneaux ne peuvent pas être commercialisés.
Pérovskites hybrides halogénées sont une classe de matériaux semi-conducteurs qui ont fait l'objet de recherches particulières ces dernières années pour leurs propriétés photoélectriques remarquables et leurs applications dans les systèmes photovoltaïques.
