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Les scientifiques de Trinity ont mis au point une recette qui permettrait de produire à l’avenir une énergie propre et entièrement renouvelable, dont l’eau serait le seul déchet. En s’appuyant sur leur expertise en chimie, en physique théorique et en intelligence artificielle, l’équipe peaufine actuellement cette recette avec la conviction sincère que l’apparemment impossible deviendra un jour réalité.

Les premiers travaux dans ce domaine, présentés il y a un peu moins de deux ans, étaient prometteurs. Cette promesse a été considérablement amplifiée par les travaux qui viennent d’être publiés dans la revue Cell Reports Physical Science.

De l’énergie pour une chanson 

La réduction des émissions de dioxyde de carbone (CO2) de l’humanité est sans doute le plus grand défi que doit relever la civilisation du XXIe siècle, surtout si l’on tient compte de l’augmentation de la population mondiale et de l’accroissement de la demande énergétique qui en découle.

Une lueur d’espoir est l’idée que nous pourrions utiliser de l’électricité renouvelable pour fractionner l’eau (H2O) afin de produire de l’hydrogène (H2) vert et riche en énergie, qui pourrait ensuite être stocké et utilisé dans des piles à combustible. C’est une perspective particulièrement intéressante dans une situation où les sources d’énergie éolienne et solaire produisent de l’électricité pour diviser l’eau, car cela nous permettrait de stocker l’énergie pour l’utiliser lorsque ces sources renouvelables ne seraient pas disponibles.

Cependant, le problème essentiel est que l’eau est très stable et que sa décomposition nécessite une grande quantité d’énergie ; il est inutile d’utiliser beaucoup plus d’énergie que ce que l’on récupère d’un tel effort. Un obstacle particulièrement important à surmonter est ce « surpotentiel » associé à la production d’oxygène, qui est la réaction d’étranglement dans la division de l’eau pour produire du H2.

Bien que certains éléments soient efficaces pour fractionner l’eau, comme le ruthénium ou l’iridium, leur coût est prohibitif et ils sont rares pour une commercialisation mondiale. D’autres options, moins coûteuses, ont tendance à souffrir en matière d’efficacité et/ou de robustesse. En fait, à l’heure actuelle, personne n’a découvert de catalyseurs qui soient rentables et efficaces pendant de longues périodes.

Alors, comment résoudre une telle énigme ? Arrêtez-vous avant d’imaginer des blouses, des lunettes, des béchers et de drôles d’odeurs ; ce travail a été réalisé entièrement par ordinateur. En réunissant des chimistes et des physiciens théoriciens, l’équipe de Trinity à l’origine de cette dernière percée a combiné des connaissances en chimie avec des ordinateurs très puissants pour trouver l’un des « Graals » de la catalyse.

Qu’a trouvé l’équipe ?

Ensuite : il y a deux ans, l’équipe a découvert que la science avait sous-estimé l’activité de certains des catalyseurs les plus efficaces et que, par conséquent, le redoutable obstacle du « surpotentiel » semblait plus facile à franchir. En outre, en affinant un modèle théorique accepté de longue date et utilisé pour prédire l’efficacité des catalyseurs de la séparation de l’eau, l’équipe a facilité la recherche de l’insaisissable catalyseur « vert ».

Maintenant : leurs recherches ultérieures, effectuées à l’aide d’une approche combinatoire automatisée et d’une modélisation chimique quantique avancée, ont permis d’identifier neuf combinaisons de métaux et de ligands (qui les collent ensemble pour générer les catalyseurs), abondantes sur terre, comme des pistes très prometteuses pour l’investigation expérimentale.

Trois métaux prometteurs

Pour l’équipe, trois métaux (chrome, manganèse, fer) se distinguent comme étant particulièrement prometteurs. Des milliers de catalyseurs basés sur ces composants-clés peuvent maintenant être placés dans un creuset et évalués pour leurs capacités, tandis que la chasse à la combinaison magique se poursuit.

Max García-Melchor, professeur assistant en chimie à Trinity, est l’auteur principal de cette recherche. Il a déclaré : « il y a deux ans, nos travaux avaient rendu la chasse au Saint Graal des catalyseurs un peu plus faciles à gérer. Maintenant, nous avons fait un autre grand pas en avant en réduisant considérablement la zone de recherche et en accélérant notre méthode de recherche.

« Jusqu’à récemment, nous cherchions une minuscule aiguille dans une énorme botte de foin. Après avoir réduit la taille de cette botte de foin, nous avons maintenant aspiré une grande partie du foin restant. Pour donner un ordre de grandeur, il y a deux ans, nous avions examiné 17 catalyseurs. Maintenant, nous en avons criblé 444 et nous pensons qu’il ne faudra pas longtemps avant que notre base de données contienne 80 000 catalyseurs.

« Comment pouvons-nous vivre durablement ? C’est sans doute la question la plus importante et la plus pressante qui se pose à la société du 21e siècle. Je crois que les chercheurs de toutes les disciplines peuvent contribuer à y répondre, et nous pensons que l’un des points forts de notre recherche est l’approche multidisciplinaire que nous adoptons. »

Un travail qui fournit une base théorique 

Michael Craig, candidat au doctorat à Trinity, est le premier auteur de l’article. Il ajoute : « il semble plein d’espoir que la science puisse fournir au monde une énergie entièrement renouvelable, et ce dernier travail fournit une base théorique pour optimiser les moyens durables de stocker cette énergie et va au-delà en identifiant les métaux qui offrent la plus grande promesse.

« De nombreuses recherches se sont concentrées sur les métaux les plus efficaces, mais d’un coût prohibitif, en tant que candidats possibles, même s’ils sont beaucoup trop rares pour effectuer le gros travail nécessaire au stockage d’une quantité suffisante d’hydrogène pour la société. Nous nous concentrons sur la recherche d’une option viable à long terme. Et nous espérons que nous y parviendrons. »

Source : Trinity College Dublin
Crédit photo : StockPhotoSecrets

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