Des chercheurs développent une alternative plus verte aux combustibles fossiles en produisant de l'hydrogène à partir de l'eau et de la lumière

17 février 2023

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par l'Université de Caroline du Nord à Chapel Hill

Des chercheurs de l'Université de Caroline du Nord au département de chimie de Chapel Hill ont conçu des nanofils de silicium capables de convertir la lumière du soleil en électricité en divisant l'eau en oxygène et en hydrogène gazeux, une alternative plus verte aux combustibles fossiles.

Il y a cinquante ans, les scientifiques ont démontré pour la première fois que l'eau liquide pouvait être divisée en oxygène et en hydrogène gazeux à l'aide de l'électricité produite en éclairant une électrode semi-conductrice. Bien que l'hydrogène généré à partir de l'énergie solaire soit une forme prometteuse d'énergie propre, les faibles rendements et les coûts élevés ont entravé l'introduction de centrales à hydrogène commerciales à énergie solaire.

Une analyse de faisabilité économique suggère que l'utilisation d'une suspension d'électrodes fabriquées à partir de nanoparticules au lieu d'une conception de panneau solaire rigide pourrait réduire considérablement les coûts, rendant l'hydrogène produit par l'énergie solaire compétitif par rapport aux combustibles fossiles. Cependant, la plupart des catalyseurs activés par la lumière à base de particules existants, également appelés photocatalyseurs, ne peuvent absorber que le rayonnement ultraviolet, ce qui limite leur efficacité de conversion d'énergie sous illumination solaire.

James Cahoon, Ph.D., professeur de chimie de la Hyde Family Foundation au Collège des arts et des sciences de l'UNC-Chapel Hill, et ses collègues du département ont travaillé sur la synthèse chimique de nanomatériaux semi-conducteurs dotés de propriétés physiques uniques qui peuvent permettre une gamme de technologies, des cellules solaires à la mémoire à semi-conducteurs. Cahoon est l'auteur correspondant des découvertes publiées le 9 février dans Nature.

Cahoon et son équipe ont conçu de nouveaux nanofils de silicium pour avoir plusieurs cellules solaires le long de leur axe afin qu'ils puissent produire la puissance nécessaire pour diviser l'eau.

"Cette conception est sans précédent dans les conceptions de réacteurs précédentes et permet au silicium d'être utilisé pour la première fois dans un PSR", a expliqué Taylor Teitsworth, associé de recherche postdoctoral au laboratoire de Cahoon.

Le silicium absorbe à la fois la lumière visible et infrarouge. Il a toujours été un premier choix pour les cellules solaires, également appelées cellules photovoltaïques et semi-conducteurs, en raison de cela et d'autres propriétés, notamment son abondance, sa faible toxicité et sa stabilité. Avec ses propriétés électroniques, la seule façon de piloter la séparation de l'eau sans fil avec des particules de silicium est d'encoder plusieurs cellules photovoltaïques dans chaque particule. Ceci peut être réalisé en générant des particules qui contiennent de multiples interfaces, appelées jonctions, entre deux formes différentes de semi-conducteurs de silicium de type p et de type n.

Auparavant, les recherches de Cahoon se concentraient sur une synthèse ascendante et une modulation spatialement contrôlée du silicone avec du bore pour les nanofils de type p et avec du phosphore pour les nanofils de type n afin de conférer des géométries et des fonctionnalités souhaitables.

"Nous avons utilisé cette approche pour créer une nouvelle classe de nanoparticules multijonctions séparant l'eau. Celles-ci combinent les avantages matériels et économiques du silicium avec les avantages photoniques des nanofils qui ont un diamètre inférieur à la longueur d'onde de la lumière absorbée", a déclaré Cahoon. "En raison de l'asymétrie inhérente des jonctions de fils, nous avons pu utiliser une méthode électrochimique axée sur la lumière pour déposer les co-catalyseurs de manière sélective sur les extrémités des fils afin de permettre la séparation de l'eau."

Plus d'information: Taylor S. Teitsworth et al, Séparation de l'eau avec des super-réseaux de silicium p–i–n suspendus en solution, Nature (2023). DOI : 10.1038/s41586-022-05549-5

Des nanofils de silicium de conception produisent de l'hydrogène à partir de l'eau et de la lumière, Nature (2023). DOI : 10.1038/d41586-023-00154-6

Informations sur la revue :Nature

Fourni par l'Université de Caroline du Nord à Chapel Hill