{"id":1256,"date":"2011-04-26T00:01:40","date_gmt":"2011-04-25T22:01:40","guid":{"rendered":"http:\/\/sciencetonnante.wordpress.com\/?p=1256"},"modified":"2011-04-26T00:01:40","modified_gmt":"2011-04-25T22:01:40","slug":"la-photosynthese-artificielle-de-lenergie-a-partir-de-soleil-et-deau","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/2011\/04\/26\/la-photosynthese-artificielle-de-lenergie-a-partir-de-soleil-et-deau\/","title":{"rendered":"La photosynth\u00e8se artificielle : de l\u2019\u00e9nergie \u00e0 partir de soleil et d\u2019eau"},"content":{"rendered":"

\"\"<\/a>Il y a quelques jours, Daniel Nocera et son \u00e9quipe du MIT ont annonc\u00e9 avoir mis au point la premi\u00e8re \u00ab\u00a0feuille artificielle\u00a0\u00bb<\/strong> [1]. Il s\u2019agirait d\u2019un dispositif qui, une fois plong\u00e9 dans l’eau, permet de produire de l\u2019hydrog\u00e8ne \u00e0 partir de la lumi\u00e8re du soleil. L’hydrog\u00e8ne ainsi fabriqu\u00e9 serait alors facile \u00e0 stocker ou \u00e0 transporter.<\/p>\n

Cette annonce ayant fait un peu de bruit dans la blogosph\u00e8re (l\u00e0<\/a> et l\u00e0<\/a>, par exemple), essayons de faire le point sur les principes physiques sur lesquels se base cette technologie.<\/p>\n

Stocker l\u2019\u00e9nergie du soleil<\/h3>\n

Le soleil est aujourd’hui la source d’\u00e9nergie renouvelable la plus abondante. Mais contrairement aux centrales classiques, l’\u00e9nergie n’est pas disponible en continu au cours de la journ\u00e9e : il faut trouver un moyen efficace et peu cher de stocker cette \u00e9nergie<\/strong>. Beaucoup de travaux sont donc men\u00e9s pour imaginer des batteries<\/strong> plus performantes, moins ch\u00e8res et plus durables.<\/p>\n

Pour mesurer la capacit\u00e9 d’un syst\u00e8me de stockage d’\u00e9nergie, on regarde ce qu’on appelle l’\u00e9nergie sp\u00e9cifique<\/strong> : la quantit\u00e9 d’\u00e9nergie (en Joules) que l’on peut stocker par kilogramme. Pour une batterie Li-ion, on est par exemple autour de 0.5 MJ\/kg. La meilleure batterie du monde avoisinerait les 2.5 MJ\/kg.<\/p>\n

Mais ces performances de stockage des batteries sont \u00e0 comparer \u00e0 celles des combustibles : 50 MJ\/kg pour du gaz naturel et pr\u00e8s de 150 MJ\/kg pour de l’hydrog\u00e8ne ! On voit que les combustibles sont une bien meilleure forme de stockage de l’\u00e9nergie que les batteries ! <\/strong>(source)<\/a>
\n<\/strong><\/p>\n

Alors, plut\u00f4t que de faire des batteries, ne pourrait-on pas utiliser un combustible comme l’hydrog\u00e8ne pour stocker l’\u00e9nergie solaire ? Eh bien si ! Gr\u00e2ce \u00e0 un ph\u00e9nom\u00e8ne bien connu : l’\u00e9lectrolyse de l’eau.<\/p>\n

L\u2019\u00e9lectrolyse de l\u2019eau<\/h3>\n

Comme vous le savez, l\u2019eau est constitu\u00e9e d\u2019hydrog\u00e8ne et d\u2019oxyg\u00e8ne, et l’\u00e9lectrolyse de l’eau permet \u00e0 l’aide d’un courant \u00e9lectrique de s\u00e9parer ces deux \u00e9l\u00e9ments. L\u2019exp\u00e9rience de principe est repr\u00e9sent\u00e9e sur le dessin ci-dessous. Le ph\u00e9nom\u00e8ne global peut se d\u00e9composer en deux r\u00e9actions chimiques, qui se produisent aux deux diff\u00e9rentes \u00e9lectrodes.<\/p>\n

\"\"<\/a><\/p>\n

La premi\u00e8re r\u00e9action, qui a lieu \u00e0 l\u2019anode, d\u00e9grade l\u2019eau en produisant un mol\u00e9cule de dioxyg\u00e8ne<\/strong>, ainsi que 4 ions H+ et 4 \u00e9lectrons. La seconde r\u00e9action (\u00e0 la cathode) combine les ions H+ et les \u00e9lectrons pour former du dihydrog\u00e8ne.<\/p>\n

Pour aller de l’anode \u00e0 la cathode, les ions H+ migrent dans le liquide, tandis que la tension \u00e9lectrique que l’on fournit achemine les \u00e9lectrons par le circuit \u00e9lectrique. A partir de mesures d’\u00e9lectrochimie, on sait m\u00eame que la tension minimale n\u00e9cessaire pour que les r\u00e9actions puissent avoir lieu est de 1.23 Volts<\/strong>.<\/p>\n

Faciliter l\u2019\u00e9lectrolyse<\/h3>\n

\"\"<\/a>Bon ben voil\u00e0, on connecte notre panneau solaire \u00e0 un dispositif d\u2019\u00e9lectrolyse de l\u2019eau, et on produit de l\u2019hydrog\u00e8ne que l’on stocke, …et le tour est jou\u00e9 !? Oui\u2026mais non.<\/p>\n

Malheureusement \u00e7a n\u2019est pas si simple : les r\u00e9actions en jeu dans l’\u00e9lectrolyse de l’eau ne sont vraiment pas tr\u00e8s rapides<\/strong>. Pour obtenir un dispositif efficace, il nous faut catalyser ces r\u00e9actions.<\/p>\n

C\u2019est particuli\u00e8rement vrai de la r\u00e9action \u00e0 l’anode, dite r\u00e9action d\u2019oxydation de l\u2019eau. Comme on le voit dans son \u00e9quation, elle implique 4 \u00e9lectrons et sans rentrer dans les d\u00e9tails, plus il y a d\u2019\u00e9lectrons impliqu\u00e9s, plus la r\u00e9action est compliqu\u00e9e \u00e0 r\u00e9aliser<\/strong>.<\/p>\n

En pratique quand on fait l\u2019\u00e9lectrolyse de l\u2019eau, par exemple dans un TP de chimie ou dans un proc\u00e9d\u00e9 industriel, on a recourt \u00e0 plusieurs modifications : on travaille en milieu tr\u00e8s acide (pH 1 par exemple), on utilise des \u00e9lectrodes en mat\u00e9riau catalyseur, comme du platine, et on d\u00e9livre une tension sensiblement plus \u00e9lev\u00e9 que celle de 1.23 V qui serait en th\u00e9orie suffisante (comme 6 ou 9 volts pour un TP).<\/p>\n

Vous voyez que \u00e7a complique un peu notre id\u00e9e de faire l\u2019\u00e9lectrolyse directement \u00e0 partir d’\u00e9nergie photovolta\u00efque<\/strong> : le platine c\u2019est cher, le pH acide c\u2019est compliqu\u00e9, et une cellule photovolta\u00efque d\u00e9livre naturellement une tension de l’ordre de 1 \u00e0 1.5 volts.<\/p>\n

La photosynth\u00e8se naturelle<\/h3>\n

Une bonne source d\u2019inspiration pour essayer de contourner ces probl\u00e8mes, c\u2019est de regarder ce que fait la Nature. En effet, la photosynth\u00e8se naturelle r\u00e9alise exactement ce qu\u2019on souhaite faire, c’est-\u00e0-dire stocker l\u2019\u00e9nergie solaire sous forme d\u2019un combustible. Et \u00e7a n’est peut \u00eatre pas \u00e9vident de prime abord, mais la photosynth\u00e8se, c’est bien une \u00e9lectrolyse de l’eau<\/strong> !<\/p>\n

Les deux r\u00e9actions principales impliqu\u00e9es dans la photosynth\u00e8se peuvent en gros se sch\u00e9matiser de la mani\u00e8re suivante :<\/p>\n

\"\"<\/a><\/p>\n

La d\u00e9composition de l’eau est une brique essentielle de la photosynth\u00e8se : d\u2019ailleurs l\u2019oxyg\u00e8ne qui se d\u00e9gage sous forme gazeuse n\u2019est pas l\u2019oxyg\u00e8ne du CO2, mais celui de l\u2019eau ! Comme dans l\u2019\u00e9lectrolyse classique, on a deux r\u00e9actions \u00e0 r\u00e9aliser, et comme dans l\u2019\u00e9lectrolyse classique, la premi\u00e8re de ces r\u00e9actions est particuli\u00e8rement difficile \u00e0 initier. Elle a besoin d\u2019\u00eatre catalys\u00e9e !<\/p>\n

\"\"<\/a>Comme la nature est bien faite, elle poss\u00e8de un tr\u00e8s bon catalyseur naturel de cette r\u00e9action<\/strong>. On l\u2019appelle le syst\u00e8me d\u2019oxydation de l\u2019eau (Oxygen Evolving complex<\/em>), et sa structure a \u00e9t\u00e9 seulement en partie \u00e9lucid\u00e9e. C\u2019est un gros assemblage (voir ci-contre [2]), fait autour de 4 atomes de mangan\u00e8se et d\u2019un atome de calcium, et qui sait sp\u00e9cifiquement g\u00e9rer le transfert des 4 \u00e9lectrons en faisant varier son \u00e9tat d’oxydation.<\/p>\n

Pour essayer d\u2019am\u00e9liorer l\u2019\u00e9lectrolyse de l\u2019eau aliment\u00e9e par \u00e9nergie photovolta\u00efque, il nous faut donc imiter la nature en trouvant un tr\u00e8s bon catalyseur de la r\u00e9action d\u2019oxydation de l\u2019eau<\/strong>.<\/p>\n

Les catalyseurs de Nocera<\/h3>\n

L\u2019id\u00e9e de coupler un dispositif photovolta\u00efque avec un catalyseur de l\u2019\u00e9lectrolyse de l\u2019eau n\u2019est pas nouvelle. Le premier dispositif de ce genre a \u00e9t\u00e9 rapport\u00e9 par Turner en 1998 [3]. Toutefois le dispositif d\u2019ensemble \u00e9tait assez compliqu\u00e9 et fait \u00e0 partir de mat\u00e9riaux chers et peu stables.<\/p>\n

La grande avanc\u00e9e publi\u00e9e par Daniel Nocera il y a quelques ann\u00e9es [4] a \u00e9t\u00e9 la d\u00e9couverte d\u2019un nouveau catalyseur de l’oxydation de l’eau<\/strong>, fait \u00e0 partir de cobalt (ou de nickel [5]), et fonctionnant \u00e0 pH 7, \u00e0 temp\u00e9rature ambiante et sous pression atmosph\u00e9rique : c’est-\u00e0-dire dans des conditions bien plus favorables que ce dont on disposait jusqu\u2019ici pour faire l\u2019\u00e9lectrolyse de l\u2019eau !<\/p>\n

Une fois un bon catalyseur de l\u2019oxydation de l\u2019eau d\u00e9couvert, on peut se dire qu\u2019on a r\u00e9solu un des probl\u00e8mes les plus difficiles pour mettre en \u0153uvre l\u2019id\u00e9e de photosynth\u00e8se artificielle. Mais il faut encore int\u00e9grer l\u2019ensemble<\/strong>. Bien que la publication associ\u00e9e n\u2019ait pas encore \u00e9t\u00e9 d\u00e9voil\u00e9e, on peut penser que c\u2019est cette int\u00e9gration qu\u2019a r\u00e9alis\u00e9 r\u00e9cemment l\u2019\u00e9quipe de Nocera.<\/p>\n

Le point sur la technologie<\/h3>\n

Tout d\u2019abord, le catalyseur ne concerne qu’une des deux r\u00e9actions, celle qui produit le dioxyg\u00e8ne. Il se trouve que la r\u00e9action de l\u2019hydrog\u00e8ne est plus facile \u00e0 catalyser car elle met en \u0153uvre le transfert de seulement deux \u00e9lectrons, mais on a quand m\u00eame besoin d\u2019un autre catalyseur<\/strong>, diff\u00e9rent du premier.<\/p>\n

Ensuite, contrairement \u00e0 ce qu\u2019on peut penser, la d\u00e9couverte d\u2019un super catalyseur ne nous dispense pas d’avoir un mat\u00e9riau photovolta\u00efque,<\/strong> par exemple du silicium. La feuille artificielle id\u00e9ale se compose ainsi d’un mat\u00e9riau qui absorbe les photons pour les transformer en excitation \u00e9lectronique, et des deux catalyseurs qui r\u00e9cup\u00e8rent cette excitation pour produire oxyg\u00e8ne et hydrog\u00e8ne \u00e0 partir de l’eau. En ce sens on ne peut pas consid\u00e9rer cette technologie comme radicalement diff\u00e9rente du photovolta\u00efque classique.<\/p>\n

Le d\u00e9fi, c’est que si on arrive \u00e0 bien int\u00e9grer tout (par exemple en d\u00e9posant les catalyseurs directement sur le compos\u00e9 photovolta\u00efque), on peut \u00e9liminer toute la tuyauterie associ\u00e9e \u00e0 la technologie photovolta\u00efque traditionnelle (les fils bien s\u00fbr, mais aussi les diff\u00e9rentes couches, le fait de mettre les cellules en s\u00e9rie, les onduleurs, etc.) Voici le sch\u00e9ma de principe pr\u00e9sent\u00e9 il y a quelques ann\u00e9es par Dan Nocera [6]<\/p>\n

\"\"<\/a><\/p>\n

Alors bien s\u00fbr une fois que tout \u00e7a marche et qu\u2019on a l\u2019hydrog\u00e8ne, on a fait que 50% du chemin. Il faut ensuite pouvoir utiliser cet hydrog\u00e8ne. On peut le br\u00fbler comme un combustible normal, mais on peut aussi s\u2019en servir pour g\u00e9n\u00e9rer de l\u2019\u00e9lectricit\u00e9 \u00e0 l\u2019aide d\u2019une pile \u00e0 combustible<\/strong>, qui pour l\u2019essentiel\u2026fait l\u2019op\u00e9ration inverse de l\u2019\u00e9lectrolyse de l\u2019eau. La boucle est alors boucl\u00e9e, mais technologiquement, c\u2019est une autre histoire !<\/p>\n

[1] L’annonce de Nocera au congr\u00e8s de l’ACS<\/a><\/em><\/p>\n

[2] Barber et al., Architecture of the Photosynthetic Oxygen-Evolving Center, Science 303 (2004)<\/em><\/em><\/p>\n

[3] O. Khaselev et J. Turner, A Monolithic Photovoltaic-Photoelectrochemical Device for Hydrogen Production via Water Splitting, Science 280 (1998)<\/em><\/p>\n

[4] M. Kanan et D. Nocera, In Situ Formation of an Oxygen-Evolving Catalyst in Neutral Water Containing Phosphate and Co 2+, Science 321 (2008)<\/em><\/p>\n

[5] M. Dinca et al., Nickel-borate oxygen-evolving catalyst that functions under benign conditions, PNAS 107 (2010)<\/em><\/p>\n

[6] D. Nocera, Powering the planet: Chemical challenges in solar energy utilization, PNAS 103 (2006)<\/em><\/p>\n


\n<\/em><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Il y a quelques jours, Daniel Nocera et son \u00e9quipe du MIT ont annonc\u00e9 avoir mis au point la premi\u00e8re \u00ab\u00a0feuille artificielle\u00a0\u00bb [1]. Il s\u2019agirait d\u2019un dispositif qui, une fois plong\u00e9 dans l’eau, permet de produire de l\u2019hydrog\u00e8ne \u00e0 partir de la lumi\u00e8re du soleil. L’hydrog\u00e8ne ainsi fabriqu\u00e9 serait alors facile \u00e0 stocker ou \u00e0<\/p>\n","protected":false},"author":1,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"jetpack_post_was_ever_published":false,"_jetpack_newsletter_access":"","_jetpack_dont_email_post_to_subs":false,"_jetpack_newsletter_tier_id":0,"_jetpack_memberships_contains_paywalled_content":false,"_jetpack_memberships_contains_paid_content":false,"footnotes":""},"categories":[6],"tags":[13,49,50],"class_list":{"0":"post-1256","1":"post","2":"type-post","3":"status-publish","4":"format-standard","6":"category-physique","7":"tag-eau","8":"tag-electricite","9":"tag-energie"},"jetpack_featured_media_url":"","jetpack_sharing_enabled":true,"post_mailing_queue_ids":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/1256","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/users\/1"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=1256"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/1256\/revisions"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=1256"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=1256"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=1256"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}