Hydrogène vert : la "feuille artificielle" s'améliore sous l'effet de la pression
Les découvertes peuvent accroître l'efficacité des dispositifs électrochimiques et photocatalytiques
L'hydrogène peut être produit par la division électrolytique de l'eau. Une option consiste à utiliser des photo-électrodes qui convertissent la lumière du soleil en tension pour l'électrolyse dans ce que l'on appelle les cellules photoélectrochimiques (cellules PEC). Une équipe de chercheurs de l'HZB vient de montrer que l'efficacité des cellules PEC peut être considérablement augmentée sous pression.
Certains parlent de "feuille artificielle" : au lieu du complexe naturel Photosystem II que les feuilles vertes utilisent pour séparer l'eau de la lumière du soleil, les cellules photoélectrochimiques, ou cellules PEC, utilisent des photoélectrodes artificielles inorganiques pour générer la tension nécessaire à la séparation électrolytique de l'eau à partir de la lumière du soleil.
Minimiser les pertes
Les dispositifs les plus performants atteignent déjà des rendements de conversion énergétique impressionnants, allant jusqu'à 19 %. À des rendements aussi élevés, les pertes dues à la formation de bulles commencent à jouer un rôle important. En effet, les bulles dispersent la lumière, empêchant un éclairage optimal de l'électrode. De plus, les bulles peuvent empêcher l'électrolyte d'entrer en contact avec la surface de l'électrode et provoquer ainsi une désactivation électrochimique. Pour minimiser ces pertes, il serait utile de réduire la taille des bulles en faisant fonctionner le dispositif à une pression plus élevée. Cependant, tous les dispositifs PEC rapportés jusqu'à présent ont fonctionné à la pression atmosphérique (1 bar).
Augmenter la pression
Une équipe de l'Institut des combustibles solaires du HZB a maintenant étudié la division de l'eau à une pression élevée dans des conditions pertinentes pour la PEC. Ils ont utilisé du gaz pour pressuriser les cellules d'écoulement PEC à une pression comprise entre 1 et 10 bars et ont enregistré un certain nombre de paramètres différents pendant l'électrolyse. Ils ont également développé un modèle multiphysique du processus PEC et l'ont comparé aux données expérimentales à pression normale et élevée.
Ce modèle permet maintenant de jouer avec les paramètres et d'identifier les leviers clés. "Par exemple, nous avons étudié comment la pression de fonctionnement affecte la taille des bulles de gaz et leur comportement au niveau des électrodes", explique le Dr Feng Liang, premier auteur de l'article publié dans Nature Communications.
Des pertes d'énergie réduites de moitié
L'analyse montre que l'augmentation de la pression de fonctionnement à 8 bars réduit de moitié la perte d'énergie totale, ce qui pourrait entraîner une augmentation relative de 5 à 10 % de l'efficacité globale. "Les pertes par diffusion optique peuvent être presque totalement évitées à cette pression", explique M. Liang. "Nous avons également constaté une réduction significative du croisement des produits, en particulier du transfert d'oxygène vers la contre-électrode".
À des pressions plus élevées, cependant, il n'y a pas d'avantage, de sorte que l'équipe suggère 6-8 bars comme plage de pression de fonctionnement optimale pour les électrolyseurs PEC. "Ces résultats, et en particulier le modèle multiphysique, peuvent être étendus à d'autres systèmes et nous aideront à accroître l'efficacité des dispositifs électrochimiques et photocatalytiques", déclare le professeur Roel van de Krol, qui dirige l'Institut des combustibles solaires à l'HZB.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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