Des chercheurs de Cambridge ont créé un dispositif alimenté par l’énergie solaire qui convertit l’eau contaminée en hydrogène propre et en eau potable, offrant ainsi une solution durable aux crises mondiales de l’énergie et de l’eau. Crédit : Chanon Pornrungroj/Ariffin Mohamad Annuar
Une équipe de chercheurs de l’Université de Cambridge a créé un dispositif flottant innovant qui exploite l’énergie solaire pour convertir l’eau contaminée ou l’eau de mer en hydrogène propre et en eau purifiée.
Ce dispositif est particulièrement avantageux pour les zones aux ressources limitées ou sans accès au réseau, car il peut fonctionner avec n’importe quelle source d’eau ouverte et ne dépend pas de sources d’énergie externes.
Innovation inspirée par la nature
Il s’inspire de photosynthèse, le processus par lequel les plantes convertissent la lumière du soleil en nourriture. Cependant, contrairement aux versions antérieures de la « feuille artificielle », qui pouvait produire de l’hydrogène vert à partir de sources d’eau propre, ce nouvel appareil fonctionne à partir de sources d’eau polluée ou d’eau de mer et peut en même temps produire de l’eau potable.
Les tests de l’appareil ont montré qu’il était capable de produire de l’eau propre à partir d’eau très polluée, d’eau de mer et même de la rivière Cam, dans le centre de Cambridge. Les résultats sont rapportés dans la revue Eau naturelle.
Défis techniques et avancées
« Réunir la production de combustibles solaires et la purification de l’eau dans un seul appareil est délicat », a déclaré le Dr Chanon Pornrungroj du département de chimie Yusuf Hamied de Cambridge, co-auteur principal de l’article. « La division de l’eau par l’énergie solaire, où les molécules d’eau sont décomposées en hydrogène et en oxygène, doit commencer avec de l’eau totalement pure, car tout contaminant peut empoisonner le catalyseur ou provoquer des réactions chimiques secondaires indésirables. »
« Dans les régions reculées ou en développement, où l’eau potable est relativement rare et où les infrastructures nécessaires à la purification de l’eau ne sont pas facilement disponibles, le fractionnement de l’eau est extrêmement difficile », a déclaré le co-auteur principal Ariffin Mohamad Annuar. « Un appareil capable de fonctionner avec de l’eau contaminée pourrait résoudre deux problèmes à la fois : il pourrait diviser l’eau pour produire du carburant propre, et il pourrait produire de l’eau potable. »
Un dispositif flottant alimenté par l’énergie solaire, capable de transformer de l’eau contaminée ou de l’eau de mer en hydrogène propre et en eau purifiée, partout dans le monde, a été développé par des chercheurs. Crédit : Chanon Pornrungroj/Ariffin Mohamad Annuar
Pornrungroj et Mohamad Annuar, tous deux membres du groupe de recherche du professeur Erwin Reisner, ont mis au point une conception qui répond exactement à cet objectif. Ils ont déposé un photocatalyseur sur un maillage de carbone nanostructuré qui absorbe bien la lumière et la chaleur, générant la vapeur d’eau utilisée par le photocatalyseur pour créer de l’hydrogène. Le treillis de carbone poreux, traité pour repousser l’eau, servait à la fois à aider le photocatalyseur à flotter et à le tenir éloigné de l’eau en dessous, afin que les contaminants n’interfèrent pas avec sa fonctionnalité.
De plus, le nouvel appareil utilise davantage l’énergie du Soleil. « Le processus de fabrication de combustibles solaires, alimenté par la lumière, n’utilise qu’une petite partie du spectre solaire – une grande partie du spectre reste inutilisée », a déclaré Mohamad Annuar.
L’équipe a utilisé une couche blanche absorbant les UV sur le dispositif flottant pour la production d’hydrogène via la division de l’eau. Le reste de la lumière du spectre solaire est transmis au bas de l’appareil, qui vaporise l’eau.
« De cette façon, nous utilisons mieux la lumière : nous obtenons de la vapeur pour la production d’hydrogène, et le reste est de la vapeur d’eau », a déclaré Pornrungroj. « De cette façon, nous imitons véritablement une vraie feuille, puisque nous avons désormais pu intégrer le processus de transpiration. »
Impact mondial potentiel
Un appareil capable de produire simultanément du carburant propre et de l’eau propre en utilisant uniquement l’énergie solaire pourrait aider à résoudre les crises énergétiques et hydriques auxquelles sont confrontées de nombreuses régions du monde. Par exemple, la pollution de l’air intérieur causée par la cuisine avec des combustibles « sales », comme le kérosène, est responsable de plus de trois millions de décès chaque année, selon l’Organisation mondiale de la santé. Cuisiner avec de l’hydrogène vert pourrait contribuer à réduire considérablement ce chiffre. Et 1,8 milliard de personnes dans le monde n’ont toujours pas accès à l’eau potable chez elles.
« C’est aussi une conception très simple : en quelques étapes seulement, nous pouvons construire un appareil qui fonctionne bien avec de l’eau provenant d’une grande variété de sources », a déclaré Mohamad Annuar.
« Il est très tolérant aux polluants et sa conception flottante permet au substrat de fonctionner dans des eaux très troubles ou boueuses », a déclaré Pornrungroj. « C’est un système très polyvalent. »
« Notre dispositif reste une preuve de principe, mais c’est le genre de solutions dont nous aurons besoin si nous voulons développer une économie véritablement circulaire et un avenir durable », a déclaré Reisner, qui a dirigé la recherche. « La crise climatique et les problèmes liés à la pollution et à la santé sont étroitement liés, et développer une approche qui pourrait aider à résoudre les deux changerait la donne pour de nombreuses personnes. »
La recherche a été soutenue en partie par le programme Horizon 2020 de la Commission européenne, le Conseil européen de la recherche, le Cambridge Trust, le programme de parrainage éducatif Petronas et le programme Winton pour la physique de la durabilité. Erwin Reisner est membre du St John’s College. Chanon Pornrungroj est membre du Darwin College et Ariffin Mohamad Annuar est membre du Clare College.
