Un appareil alimenté par l’énergie solaire produit à la fois de l’eau propre et du carburant propre

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Les chercheurs ont développé un dispositif flottant alimenté par l’énergie solaire qui peut convertir l’eau contaminée ou l’eau de mer en hydrogène propre et en eau purifiée, partout dans le monde.

« C’est le genre de solutions dont nous aurons besoin pour développer une économie véritablement circulaire et un avenir durable » – Erwin Reisner

L’appareil, développé par des chercheurs de l’Université de Cambridge, pourrait être utile dans des environnements à ressources limitées ou hors réseau, car il fonctionne avec n’importe quelle source d’eau ouverte et ne nécessite aucune alimentation externe.

Il s’inspire de la photosynthèse, le processus par lequel les plantes transforment la lumière du soleil en nourriture. Sin embargo, a diferencia de versiones anteriores de la « hoja artificial », que podía producir combustible de hidrógeno verde a partir de fuentes de agua limpia, este nuevo dispositivo funciona a partir de fuentes de agua contaminada o de mar y puede producir agua potable limpia en même temps.

Les tests de l’appareil ont montré qu’il était capable de produire de l’eau propre à partir d’eau très polluée, d’eau de mer et même de la rivière Cam, dans le centre de Cambridge. Les résultats sont publiés dans le magazine. eau naturelle.

« Réunir la production de combustible solaire et la purification de l’eau dans un seul appareil est compliqué », a déclaré le Dr Chanon Pornrungroj du département de chimie Yusuf Hamied de Cambridge, co-auteur principal de l’article. « La division de l’eau par l’énergie solaire, où les molécules d’eau sont décomposées en hydrogène et en oxygène, doit commencer avec de l’eau complètement pure, car tout contaminant peut empoisonner le catalyseur ou provoquer des réactions chimiques secondaires indésirables. »

« Dans les régions reculées ou en développement, où l’eau potable est relativement rare et où les infrastructures nécessaires à la purification de l’eau ne sont pas disponibles, le partage de l’eau est extrêmement difficile », a déclaré le co-auteur principal Ariffin Mohamad Annuar. « Un appareil capable de fonctionner avec de l’eau contaminée pourrait résoudre deux problèmes à la fois : il pourrait diviser l’eau pour produire du carburant propre et il pourrait produire de l’eau potable. »

Pornrungroj et Mohamad Annuar, tous deux membres du groupe de recherche du professeur Erwin Reisner, ont mis au point une conception qui répond exactement à cet objectif. Ils ont déposé un photocatalyseur sur un maillage de carbone nanostructuré qui absorbe bien la lumière et la chaleur, générant ainsi la vapeur d’eau utilisée par le photocatalyseur pour créer de l’hydrogène. Le treillis de carbone poreux, traité pour repousser l’eau, servait à la fois à aider le photocatalyseur à flotter et à le tenir éloigné de l’eau en dessous, afin que les contaminants n’interfèrent pas avec sa fonctionnalité.

De plus, le nouvel appareil utilise davantage d’énergie solaire. « Le processus de production de combustibles solaires, alimenté par la lumière, n’utilise qu’une petite partie du spectre solaire ; une grande partie du spectre n’est pas utilisée », a déclaré Mohamad Annuar.

L’équipe a utilisé une couche blanche absorbant les UV sur le dispositif flottant pour produire de l’hydrogène en divisant l’eau. Le reste de la lumière du spectre solaire est transmis au fond de l’appareil, qui vaporise l’eau.

« De cette façon, nous utilisons mieux la lumière : nous obtenons de la vapeur pour la production d’hydrogène et le reste est de la vapeur d’eau », a déclaré Pornrungroj. « De cette façon, nous imitons réellement une vraie feuille, puisque nous avons désormais pu intégrer le processus de transpiration. »

Un appareil capable de produire simultanément du carburant propre et de l’eau propre en utilisant uniquement l’énergie solaire pourrait aider à résoudre les crises de l’énergie et de l’eau auxquelles sont confrontées de nombreuses régions du monde. Par exemple, la pollution de l’air intérieur provoquée par la cuisson avec des combustibles « sales », comme le kérosène, est responsable de plus de trois millions de décès par an, selon l’Organisation mondiale de la santé. Au lieu de cela, cuisiner avec de l’hydrogène vert pourrait contribuer à réduire considérablement ce chiffre. Et 1,8 milliard de personnes dans le monde n’ont toujours pas accès à l’eau potable chez elles.

« De plus, il s’agit d’une conception très simple : en quelques étapes seulement, nous pouvons construire un appareil qui fonctionne bien avec de l’eau provenant d’une grande variété de sources », a déclaré Mohamad Annuar.

« Il est très tolérant aux contaminants et sa conception flottante permet au substrat de fonctionner dans des eaux très troubles ou boueuses », a déclaré Pornrungroj. « C’est un système très polyvalent. »

« Notre dispositif reste une preuve de principe, mais c’est le genre de solutions dont nous aurons besoin si nous voulons développer une économie véritablement circulaire et un avenir durable », a déclaré Reisner, qui a dirigé la recherche. « La crise climatique et les problèmes de pollution et de santé sont étroitement liés, et développer une approche qui puisse aider à résoudre les deux changerait la donne pour de nombreuses personnes. »

La recherche a été soutenue en partie par le programme Horizon 2020 de la Commission européenne, le Conseil européen de la recherche, le Cambridge Trust, le programme de parrainage éducatif Petronas et le programme Winton pour la physique de la durabilité. Erwin Reisner est membre du St John’s College. Chanon Pornrungroj est membre du Darwin College et Ariffin Mohamad Annuar est membre du Clare College.

Référence : Chanon Pornrungroj, Ariffin Bin Mohamad Annuar et al. ‘Feuilles hybrides photothermiques et photocatalytiques pour la séparation générale de l’eau à l’énergie solaire couplée à la purification de l’eau.’ Eau naturelle (2023). DOI : 10.1038/s44221-023-00139-9

Publié à l’origine par Université de Cambridge.