L’énergie solaire est l’une des ressources énergétiques les plus abondantes sur notre planète. Pourtant, son utilisation n’est pas toujours aisée, que ce soit en terme d’emplacement ou de moment. Le principal problème réside dans le stockage de l’énergie solaire et le transport de cette énergie depuis les zones ensoleillées vers les régions moins éclairées, ce qui s’avère souvent coûteux et peu efficace.
Stockage innovant de l’énergie solaire
Une équipe de chercheurs a récemment découvert qu’il est possible de conserver l’énergie solaire sous forme liquide en utilisant des matériaux chimiques relativement simples. Cette énergie peut ensuite être transformée en hydrogène même dans l’obscurité totale, sans nécessiter de fils, de batteries ou de réseaux électriques pour le transport.
Jusqu’à présent, aucun système commercial n’avait réussi à stocker de l’énergie solaire pour la libérer par la suite sous forme d’hydrogène, sans recours à une source d’électricité externe. Les avancées de cette recherche indiquent que ce seuil a finalement été franchi.
Transformations de la lumière en « électrons stockés »
Les chercheurs ont conçu leur système en utilisant deux matériaux peu coûteux et facilement accessibles. Le premier est le carbure de carbone graphitique, une poudre jaune qui peut absorber la lumière visible et jouer le rôle de photocatalyseur.
Le second matériau est le méta-tungstate d’ammonium, constitué d’atomes de tungstène et d’oxygène qui peuvent capter et conserver de nombreux électrons, agissant ainsi comme une petite batterie rechargeable. Ce processus se déroule dans un environnement aqueux, avec une petite quantité de méthanol. Ce dernier est crucial, car il capte les charges positives générées lorsque la lumière frappe le carbone, évitant ainsi la recombinaison rapide des électrons et permettant leur stockage.
Le processus de conversion
Lorsque le carbure de carbone est exposé à une lumière bleue, il produit des paires d’électrons et de trous, les électrons se déplaçant rapidement vers les clusters de tungstène voisins. À mesure que les électrons s’accumulent, la solution change visiblement de couleur, passant d’un jaune pâle à un bleu intense. Ce changement indique que les atomes de tungstène subissent une réduction du niveau de charge.
Le transfert des électrons est particulièrement efficace pour deux raisons. D’abord, dans un environnement acide, la surface du carbure devient positivement chargée, tandis que les clusters de tungstène deviennent négativement chargés, favorisant l’attraction entre les deux matériaux. Ensuite, les niveaux d’énergie des matériaux sont bien alignés, permettant une circulation naturelle des électrons sans besoin d’énergie externe.
Stockage sans lumière
Une fois la lumière éteinte, l’énergie stockée n’est pas perdue. Les chercheurs ajoutent simplement un catalyseur en platine sur carbone à la solution assombrie pour libérer cette énergie. Le platine crée des zones où les électrons stockés peuvent se combiner avec les protons de l’eau, produisant ainsi de l’hydrogène. Cette méthode sépare la capture de lumière, le stockage d’énergie et la production d’hydrogène, permettant même que ces étapes se déroulent à des moments distincts.
Après une exposition d’une heure à la lumière, le système a généré 13,5 micromoles d’hydrogène dans l’obscurité. Le taux de production d’hydrogène a atteint 3 220 micromoles par gramme par heure, ce qui représente un record pour un système photocatalytique fonctionnant dans l’obscurité. De plus, des tests réalisés à l’extérieur sous la lumière naturelle ont également été fructueux, produisant 954 micromoles par gramme par heure dans l’obscurité, le tout sans apport électrique.
Les mesures avancées ont confirmé l’efficacité du système. Des études sur l’émission de lumière ont montré que les électrons restent actifs plus longtemps à cause de leur cheminement. La spectroscopie a révélé que les atomes de tungstène capturent les électrons sous lumière. Des mesures magnétiques ont détecté les espèces de tungstène réduites uniquement à l’illumination. Ces résultats corroborent le fait que l’énergie solaire est réellement stockée et peut être libérée à la demande.
L’avenir de la technologie
Cette découverte ouvre la voie à un mode de stockage, de transport sous forme liquide et de conversion de l’énergie solaire en hydrogène, sans nécessiter de réservoirs sous haute pression, de températures extrêmes ou d’énergie électrique. Si les recherches futures confirment que les électrons stockés peuvent rester stables plusieurs semaines, cela pourrait permettre de transporter l’énergie solaire des régions ensoleillées vers des zones moins éclairées, transformant cette énergie en combustible au moment voulu.
Cependant, le procédé actuel a encore des limites. Par exemple, il utilise du méthanol au lieu d’eau pure, et la durabilité du stockage à long terme reste à prouver.
Il est à espérer que des recherches ultérieures traiteront ces contraintes et convertiront cette méthode de transport de l’énergie solaire, actuellement prometteuse, en une technologie viable pour le monde réel.
L’étude est publiée dans la revue Advanced Materials.
FAQ
Qu’est-ce que l’énergie solaire ?
L’énergie solaire est la lumière et la chaleur fournies par le soleil, une des ressources renouvelables les plus prometteuses pour la production d’électricité.
Quel rôle joue le méthanol dans ce système ?
Le méthanol agit comme un agent de stockage en absorbant les charges positives générées, permettant ainsi aux électrons de rester disponibles et d’éviter leur recombinaison.
Pourquoi l’hydrogène est-il important ?
L’hydrogène est considéré comme un carburant alternatif propre, car lorsqu’il est utilisé dans des piles à hydrogène, son unique sous-produit est de l’eau.
Cette technologie est-elle déjà utilisée ?
Non, cette technologie fait encore l’objet de recherches et n’est pas encore mise en application dans le monde réel, mais elle montre un potentiel prometteur pour l’avenir.
Quelle est la prochaine étape pour cette recherche ?
Les chercheurs envisagent de tester la stabilité des électrons stockés sur des périodes plus longues et d’explorer des moyens de remplacer le méthanol par de l’eau pure pour améliorer le système.
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