Présentation de la feuille artificielle

Résultat de 25 années de recherches la feuille artificielle est un véritable exploit technique. Daniel Nocera et son équipe du MIT sont partis d'un constat simple le soleil est notre plus grande source d'énergie à lui seul il envoie 1,2x105 térawatts de rayons solaires à la terre pendant un an soit 1x104 fois plus que toute l'énergie utilisée par l'humanité dans le même temps. Ils ont alors décidé d'imiter le processus de la photosynthèse qui rappelons le permet à une plante de produire de l'énergie en décomposant la molécule d'eau notamment. C'est précisément cette étape que Daniel Nocera et son équipe ont essayé de reproduire avec la feuille artificielle.

Fonctionnement :

La feuille artificielle est plongée dans un bassin d'eau et elle est éclairée. Ce système n'a besoin d'aucun circuit électronique, ni d'alimentation pour fonctionner. Elle est organisée en plusieurs couches de différents matériaux. Chaque matériau va jouer un rôle important dans le processus de séparation de la molécule d'eau qui est constituée de deux atomes d'hydrogène et d'un atome d'oxygène reliés par des liaisons "fortes".

La première couche de la feuille artificielle est chargée de collecter les rayons lumineux, elle est constituée de silicium. L'énergie engendrée par les photons présents dans les rayons lumineux entraine un déplacement d'électrons. Ce mouvement va permettre la dissociation de la molécule d'eau avec une seconde lamelle à base de cobalt qui va alors catalyser la réaction. Il se forme ainsi du dioxygène et des protons H+. Les bulles de dioxygène vont se former du côté de la couche de cobalt tandis que les protons H+ vont eux être envoyés vers une couche de nickel, molybdène et de zinc (alliage) sur l'autre face de la plaque de silicium. Et ainsi former du dihydrogène avec les électrons.

Equation de la réaction :

2H2O (l) → 2H2 (g) + O2 (g)

Schéma de la réaction :

Vidéo :

Donc une fois la feuille artificielle plongée dans l'eau on observe des bulles se former sur chacune des faces de la feuille comme dans la vidéo ci-dessous.

The 'Artificial Leaf'

Obtenir l'énergie :

Une fois la feuille artificielle dans l'eau il ne reste plus qu'à récupérer l'oxygène et l'hydrogène produit. Puis à l'aide d'une pile à combustible par exemple transformer ces molécules en énergie. Cette partie du système n'a pas encore été conçue par Nocera et son équipe mais les technologies utilisant la pile à combustible existent déjà.

La pile à combustible :

La pile à combustible reproduit le schéma inverse de la feuille artificielle. Elle utilise l'énergie produite par l'assemblage des molécules d'oxygène et d'hydrogène qui forme alors de l'eau. Pour cela on utilise une cathode et une anode, des électrodes qui vont récupérer le courant électrique. Entre ces deux électrodes il y a de l'électrolyte, ce matériau va empêcher le passage d'électrons entre les différentes parties du système. Puis on branche de chaque côté des électrodes un réservoir d'oxygène et de dihydrogène. Le dihydrogène en passant dans l'anode ce dissocie, ainsi un électron e- passe dans l'anode et alimente le circuit en électricité et l'hydrogène H+ va dans l'électrolyte. Puis au niveau de la cathode les électrons, l'oxygène et l'hydrogène s'assemblent pour former de l'eau. De plus cette réaction produit de la chaleur qui peut par la suite être convertie en énergie.

Equation de la réaction :

2H2 (g) + O2 (g) → 2H2O (l)

Nous avons décidé de représenter par une expérience le principe de la pile à combustible. La manipulation la plus abordable étant celle de la pile Daniell nous nous sommes astreints à la réalisation de celle-ci.

Expérience


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