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RÉSUMÉ
Cet article traite de la production photoréactive d’hydrogène à partir d’eau et d’énergie solaire, connue également sous le nom de photosynthèse artificielle. Sont abordés les recherches sur de nouveaux photocatalyseurs pour photolyser efficacement la molécule d’eau et les recherches en sciences de l’ingénieur pour développer les deux technologies envisageables pour la production d’hydrogène solaire, à savoir les photoréacteurs et les cellules photo-électrochimiques. Les paramètres clé pour la conception et l’optimisation de ces technologies, ainsi que les performances maximales accessibles, sont présentés et discutés sur la base de l’analyse de modèles de connaissances unifiés.
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Jean-François CORNET : Université Clermont Auvergne, Clermont Auvergne INP, CNRS, Institut Pascal, Clermont-Ferrand, France
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Jérémi DAUCHET : Université Clermont Auvergne, Clermont Auvergne INP, CNRS, Institut Pascal, Clermont-Ferrand, France
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Fabrice GROS : Université Clermont Auvergne, Clermont Auvergne INP, CNRS, Institut Pascal, Clermont-Ferrand, France
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Thomas VOURC’H : Université Clermont Auvergne, Clermont Auvergne INP, CNRS, Institut Pascal, Clermont-Ferrand, France
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Frédéric GLOAGUEN : Université de Bretagne Occidentale, CNRS, Laboratoire CEMCA, Brest, France
INTRODUCTION
Il existe aujourd’hui de nombreux procédés à l’étude dans les laboratoires pour produire des combustibles renouvelables à très faible émission de CO2. Ces carburants sont incontournables pour bon nombre d’usages de nos sociétés et représentent la seule possibilité crédible de stockage massif des énergies renouvelables intermittentes sous la forme de liaisons chimiques. Le premier carburant à synthétiser, car il est décarboné et à la base de tous les autres carburants de synthèse, est l’hydrogène (H2). Il peut être utilisé directement dans un moteur thermique ou une pile à combustible, comme réactif de réduction du CO2, afin de produire d’autres carburants gazeux ou liquides, ou bien de stocker les énergies intermittentes. La source d’énergie renouvelable la plus abondante sur Terre est de loin l’énergie solaire qui peut être utilisée pour produire de l’hydrogène (ou plus globalement ce que l’on nomme des carburants solaires) par conversion photoréactive directe ; on parle alors de photosynthèse artificielle. Cet article tente de faire le point sur l’état des connaissances scientifiques et techniques de l’ingénierie de la production d’hydrogène par photosynthèse artificielle. Les principaux verrous à lever pour aboutir à une technologie industrielle mature sont présentés et discutés. Les deux technologies envisagées aujourd’hui que sont les photoréacteurs et les cellules photo-électrochimiques sont également comparées d’un point de vue original et unificateur via une approche basée sur des modèles de connaissance. Enfin, les paramètres clés pour en améliorer les performances sont détaillés et les limites théoriques que pourraient atteindre de telles technologies à différents endroits de la planète sont chiffrées, notamment en termes de vitesse de production d’hydrogène et d’efficacité énergétique.
Domaine : énergies renouvelables
Degré de diffusion de la technologie : émergence
Technologies impliquées : photoréacteurs, cellules photo-électrochimiques
Domaines d’application : production d’énergie renouvelable, mobilité, stockage d’énergie solaire
Principaux acteurs français :
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Pôles de compétitivité : Axelera, Derbi, Tenerrdis
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Centres de compétence : Institut Pascal, IFPEN, CEA, CNRS : GDR Solar Fuels
Contact : [email protected]
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Différentes technologies des systèmes photoréactifs à l’échelle laboratoire
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2. Verrous de la catalyse et différents types de systèmes photoréactifs
La production de combustibles solaires à partir de ressources abondantes comme H2O et/ou CO2 impose de développer des systèmes photocatalytiques capables de reproduire certains des processus fondamentaux intervenant dans la photosynthèse naturelle des plantes ou microalgues, d’où le terme de photosynthèse artificielle pour désigner cette approche (figure 1).
L’eau est la source d’hydrogène la plus abondante sur Terre. Sa décomposition électrochimique (figure 1) est un processus endergonique (ΔE 0 = +1,23 V) qui implique deux demi-réactions :
avec :
- E0 :
- potentiel redox réversible des couples O2/H2O et H+/H2 par rapport à l’électrode standard à hydrogène à pH nul (ESH).
Ainsi, la décomposition électrochimique de H2O est thermodynamiquement possible avec des photons dont l’énergie est supérieure à 1,23 eV, c’est-à-dire ayant des longueurs d’onde inférieures à λmax = 1 000 nm, correspondant à environ 75 % de l’énergie du spectre solaire. L’eau n’absorbe pas la lumière dans ces longueurs d’onde ; il est donc nécessaire d’utiliser un système photocatalytique pour capter et convertir l’énergie lumineuse en énergie électrochimique capable de promouvoir la production de H2.
Un système photocatalytique se compose d’un semi-conducteur et/ou d’un photo-sensibilisateur pour capter et convertir l’énergie lumineuse en énergie électrochimique et, suivant les cas, de co-catalyseurs permettant notamment de diminuer la barrière d’activation des réactions électrochimiques. Cependant, l’oxydation de H2O qui fournit les électrons et les protons nécessaires à la production de H2 est une réaction multi-étapes énergétiquement très défavorable et avec une haute barrière d’activation, car elle passe par la rupture de deux liaisons O–H et la formation d’une liaison O–O par transferts d’électrons...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - INTERNATIONAL ENERGY AGENCY REPORT (IEA) - Key world energy statistics - (2020).
-
(2) - XIANG (C.), et al - Modeling, simulation, and implementation of solar-driven water-splitting devices. - Angew. Chem. Int. Ed., 55, 2-17 (2016).
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(3) - STEINFELD (A.) - Solar thermochemical production of hydrogen – a review. - Solar Energy, 78, 603-615 (2005).
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(4) - NOCERA (D.G.) - The Artificial Leaf. - Acc. Chem. Res., 45, 767–776 (2012).
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(5) - LEE (Y.), et al - Synthesis and Activities of Rutile IrO2 and RuO2 Nanoparticles for Oxygen Evolution in Acid and Alkaline Solutions. - J. Phys. Chem. Lett., 3, 399–404 (2012).
-
(6) - PELLEGRIN (Y.), ODOBEL (F.) - Sacrificial electron donor reagent for solar fuels production....
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