Vers des cellules bioinspirées efficaces et bon marché pour la production photoélectrochimique d'hydrogène – TECH'BIOPHYP

L’énergie solaire offre à notre société la réponse la plus prometteuse aux problèmes énergétique et écologique auxquels elle doit faire face. Le stockage de cette énergie est nécessaire afin d’équilibrer production et consommation lors des alternances jour-nuit, des périodes à forte nébulosité ou des effets saisonniers. L’une des méthodes de stockage la plus intéressante et la plus économique est la conversion du rayonnement solaire en énergie chimique sous la forme d’un combustible à partir d’une matière première abondante et bon marché telle que l’eau ou le dioxyde de carbone. Ce projet s’intéresse donc au développement d’appareils et de procédés efficaces et économiquement viables pour réaliser cette conversion.Parmi les nombreuses voies possibles de conversion, les cellules solaires photo-électrochimiques (CPE) où l’eau est décomposée à température ambiante pour la production d’hydrogène apparaissent comme l’une des plus prometteuses. En effet elles permettent la production d’un combustible à partir de ressources abondantes et économiquement viables, tout en étant potentiellement plus efficaces et meilleur marché que les systèmes photovoltaique-électrolyseur existant. Néanmoins, atteindre un objectif aussi ambitieux que la mise en œuvre technologique efficace et rentable d’un tel concept nécessite d’abord des avancées scientifiques considérables.
S’inscrivant dans ce constat, notre projet de recherche fondamentale s’intitule TECH’BIOPHYP (pour l’acronyme de “Toward Efficient and CHeap BIO-inspired cells for Photo-electrochemical Hydrogen Production”). Notre but est donc de fournir une contribution significative dans le développement de cellules photocatalytiques bon marché, robustes et efficaces pour la décomposition de l’eau et la production d’hydrogène sous illumination solaire, aussi bien en chimie fondamentale et catalyse qu’en génie des procédés (modélisation et conception multi-échelle). L’intégration des différentes disciplines s’effectuera à partir du développement de catalyseurs moléculaires et supramoléculaires (en substitution des onéreux semi conducteurs dopés pour la photoanode ou du platine pour la cathode) jusqu’à l’analyse du procédé (incluant modélisation et conception optimale de la cellule) en passant par l’élaboration d’électrodes fonctionnalisées. La synergie entre les disciplines sera renforcée au cours des trois principales étapes du projet :
1- Développement à l’échelle laboratoire d’une demi-cellule originale (bon marché et efficace) avec une photoanode fonctionnalisée pour l’oxydation de l’eau. Cette étape inclura la synthèse de catalyseurs moléculaires oxydant l’eau, de photosensibilisateurs, leur association et greffage sur l’électrode avec caractérisations photo-physique et spectroscopique des phénomènes pour une modélisation cinétique et énergétique de l’échelle moléculaire à celle de l’application.
2- Développement d’une (photo)cathode bioinspirée à partir d’une hydrogénase, à faible surtension pour la réduction du proton, incluant
caractérisations électrochimique, cinétique et énergétique nécessaires à sa modélisation prédictive aux échelles considérées.
3- Fabrication, caractérisations cinétique et énergétique en continu d’une CPE (sous illumination solaire simulée) à partir des demi cellules, afin de valider le modèle prédictif associé. Ce modèle sera ensuite utilisé pour la conception d’une CPE, à partir d’une méthode d’optimisation multi échelle.
Enfin la stabilité à long terme, sous intensités lumineuses variables, des catalyseurs moléculaires et de la cellule sera étudiée.
En cas de succès, ce projet interdisciplinaire destiné à la fabrication de CPE économiques produisant de l’hydrogène pourrait apporter une contribution scientifique significative à l’avancée de la thématique et ainsi aider à résoudre le problème énergétique du futur.