Percée dans la photolyse solaire de l'eau pour la production d'hydrogène

L'introduction de stratégies de « pic de carbone » et de « neutralité carbone » a entraîné une réduction des émissions de carbone, l'hydrogène étant une option attrayante en tant que carburant propre. D'autre part, l'hydrogène est également nécessaire pour de nombreux processus chimiques, tels que la production d'engrais. Cependant, l'hydrogène est actuellement obtenu principalement par la conversion de l'eau et du gaz, un processus qui non seulement génère d'importantes émissions de carbone, mais consomme également de grandes quantités d'énergie thermique.

La photosynthèse naturelle (des plantes utilisant la lumière du soleil pour obtenir des atomes d'hydrogène à partir de l'eau) est bien connue, mais existe-t-il une technique de "photosynthèse artificielle" pour obtenir de l'hydrogène ? La production d'hydrogène photocatalytique basée sur l'hydrolyse totale est une technologie respectueuse de l'environnement et durable qui ne consomme que de la lumière du soleil et de l'eau et ne produit aucune émission de carbone, c'est pourquoi elle attire actuellement beaucoup d'attention. Cependant, la faible efficacité de conversion du solaire en hydrogène (STH) des THM photocatalytiques actuels limite leur application pratique.

Dans cet esprit, l'équipe du professeur Yonezawa de l'Université du Michigan a développé une stratégie pour atteindre des efficacités STH allant jusqu'à 9,2% en utilisant de l'eau pure, une lumière solaire concentrée et un photocatalyseur au nitrure d'indium et de gallium, qui imite les étapes clés de la photosynthèse naturelle. Les expériences en plein air montrent qu'il représente un bond en avant majeur pour la technologie, étant près de 10 fois plus efficace que les expériences comparables de séparation de l'eau solaire. Plus précisément, les chercheurs ont démontré que la désintégration photocatalytique totale de l'eau sur les surfaces InGaN/GaN favorise non seulement la réaction de décomposition directe de l'eau, mais inhibe également la réaction inverse de complexation hydrogène-oxygène par l'effet thermique infrarouge généré par la lumière solaire focalisée à haute intensité, permettant la Les nanofils InGaN présentent une efficacité de désintégration photocatalytique totale de l'eau extrêmement élevée. Les résultats de la recherche ont été publiés dans le dernier numéro de Nature sous le titre "Efficacité solaire à hydrogène de plus de 9 % dans la séparation photocatalytique de l'eau".

Les chercheurs ont atteint une efficacité STH élevée de 9,2 % en utilisant de l'eau pure, de la lumière solaire concentrée et un photocatalyseur au nitrure d'indium et de gallium. Le succès de la stratégie dans cet article découle de l'effet synergique de la promotion de l'évolution hydrogène-oxygène vers l'avant et de l'inhibition de la recombinaison inverse hydrogène-oxygène, qui peut être obtenue en opérant à la température de réaction optimale (~ 70 degrés Celsius), directement en récoltant préalablement perte de lumière infrarouge du soleil. En outre, cette stratégie dépendante de la température a également entraîné des efficacités STH d'environ 7 % à partir de l'eau du robinet et de l'eau de mer largement disponibles, et de 6,2 % dans un grand système de séparation photocatalytique de l'eau avec une capacité de lumière solaire naturelle de 25 7W. Cette recherche fournit une approche pratique de la production efficace d'hydrogène à partir de la lumière naturelle du soleil et de l'eau, surmontant le goulot d'étranglement de l'efficacité de la production d'hydrogène solaire.