Le
glucose (C6H12O6) est de l'hydrate de carbone, dont on peut isoler
l'hydrogène. Ainsi, la photosynthèse n'est pas seulement
l'opération bien connue de l'arbre qui capte le gaz carbonique pour
rejeter de l'oxygène : elle reproduit aussi à sa façon le
processus recherché d'électrolyse de l'eau
qui
réussit à séparer l'hydrogène de l'eau à l'aide d'un courant
électrique.
Or, qui dit hydrogène dit production d'énergie
à l'aide d'une pile à combustible ou d'un moteur à
combustion.
Cela fait longtemps que l'on cherche à reproduire
artificiellement la photosynthèse qui aurait l'avantage de produire
beaucoup d'énergie sans rejet de carbone dans l'atmosphère.
Nous
allons tout d'abord étudier l’électrolyse
Protocole
de l 'électrolyse de l'eau
-Introduire
200 mL d'eau distillée dans l'électrolyseur.
-Remplir
les éprouvettes graduées avec de l'eau distillée et les
retourner,
sans bulles d'air, sur les électrodes.
-Incliner
les éprouvettes graduées pour permettre un renouvellement de la
solution
autour des électrodes.
-Ajouter
50 mL d'acide sulfurique dans la cuve de l'électrolyseur.
-Régler
le générateur pour que l'intensité électrique soit de I = 0,3 A.
-Fermer
l'interrupteur tout en déclenchant le chronomètre
-Laisser
fonctionner pendant 15 minutes.
-Sur
le tube à essais placé au dessus de l'anode :
-Boucher
le tube dans l'eau le sortir et le mettre à l'endroit
-Déboucher
et approcher une bûchette avec un point rouge
-Si
la bûchette se rallume, alors le gaz en présence est du dioxygène
-Sur
le tube à essais placé au dessus de la cathode :
-Boucher
le tube dans l'eau le sortir et le mettre à l'endroit
-Déboucher
et approcher une flamme
-Si
on entend un « POP », alors le gaz en présence est du
dihydrogène
Voici donc une vidéo de cette expérience, trouvée sur Youtube, car nous n'avons malheureusement pas pu la réaliser.
Malheureusement
si le processus de l'électrolyse classique de l'eau est maîtrisé ,
plusieurs difficultés rendent l'opération délicate lorsqu'elle est
réalisée à partie de la lumière solaire.Il faut notamment un
catalyseur afin de faciliter et d'accélérer la réaction chimique.
Or
plusieurs avancées récentes ont montré que la reproduction de la
photosynthèse est en train de devenir un vrai pari scientifique pour
le futur.
Des
avancées majeures
Une
autre étude américaine supervisée par Michael Grätzel de l'Ecole
polytechnique de Lausanne, dont les résultats ont été publiés en
mai 2011, se sont eux concentrés sur le problème du stockage de
l'hydrogène, lors de sa production par photosynthèse artificielle.
Ils ont pour cela modifié le semi-conducteur permettant ce
stockage.Son système ressemblait alors à celui-ci : le
photosensibilateur (Composé
qui, sous irradiation,ici
de la lumière du soleil, a la capacité de transférer son énergie
d'excitation électronique
à un autre composé)
a base de ruthénium joue le rôle de la chlorophylle : envoyer
un électron d’état fondamentale a un état exciter.Ce
photosensibilateur est déposé sur des nanoparticules de titane et
permet de diminuer la recombinaison de charge, il modélise la chaîne
de transfert d’électrons qui éloigne les électrons.Les électrons
passent alors dans un circuit, arrive sur une deuxième électrode et
réagisse avec un système redox. Rien qu'en éclairant, le rendement
pourrait être de + de 10 %.
Cependant,
cette technique est utilisée simplement avec de la lumière non
solaire.
Le
but ultime de cette photosynthèse était le suivant : une
cellule photo-électrochimique sans métaux noble dans la photo
-anodes, modélisant le photosystème (semi-conducteur remplaçant la
chlorophylle) et passe dans la photo-cathode où ils réduiraient les
protons en hydrogène. La photo-anode remplacerait le photosystème 2,
et la photo-cathode le photosystème 1.
On
cherchait tout d'abord une molécule collectant la lumière, séparant
les charges efficacement.Les matériaux qui sont les plus enclins a
cela sont des matériaux semi-conducteur
La première partie de la
photosynthèse est très difficile à reproduire, car elle est thermodynamiquement défavorable (le rendement d’énergie serait
trop faible) : tirer 4 protons et 4 électrons, et créer une liaison
O-O.
Deuxième
partie plus facile, thermodynamiquement favorable cette fois ci, mais
il faut tout de même combiner 2 protons et 2 électrons et former
une liaison H-H.
Mais
l'annonce la plus prometteuse provient sûrement de l'équipe du
professeur Daniel Nocera du MIT qui a annoncé en mars 2011 avoir
réussi à recréer une feuille artificielle capable de décomposer
l'eau en oxygène et hydrogène à l'aide de la lumière du soleil.
La feuille artificielle (composée de silicium, d'électronique ainsi
que de catalyseurs comme le cobalt ou le nickel).
Le
principe général est simple : L'eau s'oxyderait et la
transformerait en dioxygène ainsi qu'en dihydrogène.
Les
panneaux solaires en silice auraient comme capacité la séparation
de l'eau par la lumière solaire.
Le
silicium collecterait alors l’énergie lumineuse et l'eau
s'oxyderait (l’oxydation
est un échange d’électrons) :
au contact du cobalt,matériaux catalytiques(un
catalyseur peut modifier fortement la vitesse d'une réaction parmi
un grand nombre de réactions concurrentes possible, il peut
favoriser une réaction qui parait ne pas exister en son absence.).Le
silicium recueille les électrons qui proviennent des atomes
d’hydrogène et les envoient vers l’alliage tandis que les ions
H+ se retrouvent dans l’eau. L'alliage (nickel,molybdène,zinc) ressoude les électrons et les ions H+ et l’équation bilan serait
la suivante :
2
H2O ⇒ O2 + 4 H+ + 4 e-⇒ O2 + 2 H2
Le
dioxygène obtenu est sous forme de gaz, il s’échappe donc du
milieu.
Le
dihydrogène serait stocké dans des piles à hydrogène, comme sur le
schéma ci-dessous :
En
Mai 2011, le problème était le stockage du dihydrogène. Son équipe
a donc réussi à éviter l'oxydation du semi conducteur permettant
le stockage de l’hydrogène, en y déposant une couche uniforme
d'atome : cette technique se nomme technique du dépôt sous
vide. Cela permettrait d'utiliser l'oxyde de cuivre comme semi
conducteur en protégeant le matériel de la dégradation de l'eau.
Il
utilise une pile à combustible, qui est l'inverse de l’électrolyse : vous pouvez trouver une animation grâce à ce lien.
Les
freins à cette technologie
Malheureusement,
il existe une limite à cette photosynthèse artificielle. En effet,
le silice est le matériau que les scientifiques recherchaient pour
recréer la photosynthèse, mais le prix des panneaux solaire captant
l’énergie solaire est assez élevé. De plus, le traitement pour
obtenir la pureté nécessaire est difficile à obtenir, et est encore
un frein à la propagation du système.
Une
partie de la réponse aux besoins de la planète ?
L'énergie
solaire exploitée par un processus imitant la photosynthèse
pourrait donc être une partie de la réponse aux besoins énergétique
de la planète. Son premier atout est bien sûr écologique, puisque
son taux d'émission en CO2 est nul, ce qui en fait un argument de
choix face aux énergies fossiles. Son deuxième atout est d'avoir un
rendement bien plus important que l'énergie solaire photovoltaïque
produite actuellement.
Si pour le moment les projets de
photosynthèse artificielle sont essentiellement étudiés par des
laboratoires de recherches, ils sont suivis de très près par
l'industrie. Le Pr Nocera a ainsi annoncé avoir signé un contrat
avec le groupe indien Tata afin de construire d'ici un an et demi des
petites "centrales électriques", de la taille d'un
réfrigérateur, basés sur la technique de la feuille
artificielle développée par le chercheur américain.
Une
industrialisation à plus grande échelle pourrait être possible
d'ici 2020 même si il est encore très difficile de faire des
projections précises. L'Ademe a donné des estimations sur le futur
marché possible de l'hydrogène dans sa globalité en estimant qu'il
pourrait générer en France un chiffre d'affaires estimé entre 5 et
40 milliards d'euros par an d'ici 10 à 15 ans.