Une équipe internationale qui comprend des chercheurs de l’Université de Toronto a conçu et mis en œuvre un nouveau modèle de photoréacteurs, une technologie à énergie solaire pour convertir l’eau, le dioxyde de carbone, le méthane et l’azote en produits chimiques et carburants plus verts.
La conception innovante permet au photoréacteur de capturer des photons à haute efficacité sous différentes directions du soleil, éliminant ainsi le besoin de suivre le soleil. Les panneaux peuvent également être fabriqués par extrusion de polymères, ce qui les rend peu coûteux et facilement manufacturables à grande échelle, ce qui pourrait contribuer à rendre un avenir durable plus abordable et pratique.
Geoffrey Ozin, professeur d’université au département de chimie de l’Université de Toronto à la Faculté des arts et des sciences, et son équipe ont collaboré avec des chercheurs de l’Institut de technologie de Karlsruhe (KIT) en Allemagne sur le projet.
« Les cellules solaires sont réputées pour convertir efficacement et économiquement la lumière du soleil en électricité verte, évitant ainsi l’utilisation de combustibles fossiles émetteurs de gaz à effet de serre », a déclaré Ozin.
Contrairement aux thermoréacteurs, les photoréacteurs combinent les photons de la lumière du soleil et les réactifs pour générer des produits chimiques et des carburants verts. En utilisant la lumière du soleil et l’eau, les photoréacteurs pourraient réduire efficacement les émissions de carbone.
Malgré leur potentiel, de nombreux photoréacteurs ont été confrontés à plusieurs défis, notamment le coût élevé des matériaux de construction. Ils peuvent également être inefficaces pour convertir les photons en produits. Pour créer ces conversions photochimiques, les photoréacteurs s’appuient sur un photocatalyseur, un matériau qui absorbe la lumière et convertit un réactif en un produit.
Cependant, des processus non productifs dus à la réflexion, à la diffusion, à la transmission et à l’absorption de la lumière par le photocatalyseur et les matériaux du photoréacteur peuvent entraîner une perte d’énergie. Les photoréacteurs bénéficieraient du suivi du soleil, un dispositif qui ajuste l’angle du photoréacteur par rapport à la position du soleil pour une récolte optimale de la lumière.
Pour être technologiquement et économiquement viable, le rendement de conversion photon-produit des photoréacteurs doit être d’au moins 10 %. Alors que la science de l’intégration de photocatalyseurs dans des photoréacteurs au cours de la dernière décennie pour la fabrication de produits chimiques et de carburants verts a donné des progrès significatifs, les rendements sont restés faibles, souvent de 1 % ou moins.
L’équipe d’Ozin et le groupe du KIT, qui comprenait le chercheur postdoctoral Paul Kant, Ph.D. l’étudiant Shengzhi Liang, le chercheur Michael Rubin et le professeur Roland Dittmeyer ont développé un photoréacteur en forme de panneau qui contient des centaines de canaux de réaction parallèles à l’échelle microscopique. Ils ont publié un article sur les résultats prometteurs de leur modèle proposé dans la revue Joule.
Une caractéristique clé de leur conception est que chaque canal de réaction est connecté à une unité de capture de lumière en forme de V qui guide la lumière dans le canal où se trouve le photocatalyseur. Toutes les surfaces sont hautement réfléchissantes pour optimiser le transport des photons de la source lumineuse externe vers le photocatalyseur logé dans les microcanaux avec des pertes de lumière minimales.
La conception innovante permet au photoréacteur de capturer des photons à haute efficacité sous différentes directions du soleil, éliminant ainsi le besoin de suivre le soleil. Les panneaux peuvent également être fabriqués par extrusion de polymères, ce qui les rend peu coûteux et facilement manufacturables à grande échelle.
Les futures adaptations de conception peuvent résoudre le problème de la lumière solaire intermittente en utilisant des diodes électroluminescentes intégrées dans le photoréacteur comme source de photons, alimentées par de l’électricité renouvelable provenant du photovoltaïque et sauvegardées par un stockage de batterie lithium-ion pour fournir des opérations 24h/24 et 7j/7.
Le nouveau modèle de photoréacteurs peut surpasser les photoréacteurs de pointe existants et peut être utilisé sur les toits des maisons et des fermes solaires, ainsi qu’être intégré au photovoltaïque pour produire à la fois de l’électricité renouvelable et des produits chimiques et carburants verts.
« Cette technologie a inspiré le développement d’une nouvelle génération d’appareils à énergie solaire qui fabriquent à la place des carburants verts tels que l’hydrogène à partir de la lumière du soleil et de l’eau », a déclaré Ozin.
Cette avancée intervient à un moment où la nécessité de lutter contre le changement climatique est plus pressante que jamais, avec des températures record enregistrées dans le monde cet été.
« Ces produits solaires remplaceront leurs analogues fossiles et contribueront à réduire notre empreinte carbone », déclare Kant, chercheur au KIT.
« Cela augmente directement les chances que nous puissions atteindre le rêve d’une humanité vivant de manière durable. Espérons que nous y parviendrons même à temps, sans dépassement drastique de la température et catastrophes connexes. »
Plus d’information:
Paul Kant et al, Photoréacteurs à faible coût pour une synthèse solaire à haute efficacité photonique / énergétique, Joule (2023). DOI : 10.1016/j.joule.2023.05.006