Durabilité
Le carbure de silicium améliore comme candidat à la photocatalyse de l’hydrogène
Pourquoi l’hydrogène est essentiel pour la décarbonisation
Alors que la quête de décarboniser nos systèmes énergétiques se poursuit, il devient clair que certains processus pourraient nécessiter plus que de l’électricité verte. Cela est peut‑être vrai pour le transport, en particulier les tâches lourdes comme les bus et les camions, certainement vrai pour le transport maritime et aérien, et tout aussi requis pour les industries lourdes comme la sidérurgie et la production de produits chimiques.
La raison est que certaines applications nécessitent soit une combustion très chaude (métallurgie), la fourniture d’atomes d’hydrogène énergétiques sans utiliser du méthane (industrie chimique), ou un carburant très dense en énergie (transport maritime), pour lesquelles l’énergie électrique et les batteries ne sont tout simplement pas adaptées.
« Les voitures particulières peuvent avoir une batterie, mais les camions lourds, les navires ou les avions ne peuvent pas utiliser une batterie pour stocker l’énergie. Pour ces moyens de transport, nous devons trouver des sources d’énergie propres et renouvelables, et l’hydrogène est un bon candidat. »
C’est pourquoi les chercheurs et les militants climatiques envisagent l’hydrogène vert, produit sans combustible fossile, comme alternative. Le problème est, toutefois, que la production d’hydrogène vert a jusqu’à présent été trop coûteuse pour permettre une adoption massive face aux combustibles fossiles.
Comment résoudre le défi de la production d’hydrogène vert
Jusqu’à présent, la plupart des méthodes de production d’hydrogène fonctionnent autour d’une méthode en deux étapes :
- Premièrement, produire de l’énergie verte avec le solaire, l’éolien, l’hydroélectricité ou toute autre forme d’énergie renouvelable.
- Deuxièmement, utiliser cette électricité verte pour alimenter la catalyse de l’eau en hydrogène.
Le problème avec cela est que tout processus à plusieurs étapes est nécessairement moins efficace.
Par exemple, la lumière du soleil est convertie en énergie par les panneaux solaires avec un rendement de seulement 20‑25 % ; ensuite, l’énergie est transportée vers un catalyseur d’hydrogène, lui‑même avec un rendement relativement faible. Au final, le rendement total du solaire à l’hydrogène se situe probablement dans les faibles unités de pourcentage.
Et il y a la question des coûts. Le catalyseur consomme probablement des métaux rares comme le platine ou le palladium. La production d’énergie renouvelable utilise également des matériaux rares comme l’argent, et le transport de l’énergie du parc solaire au catalyseur nécessite souvent d’importants investissements.
Enfin, la plupart des catalyseurs produisant de l’hydrogène exigent un niveau stable d’alimentation électrique, ce qui signifie que de grands systèmes de batteries doivent être ajoutés comme composants supplémentaires à l’infrastructure requise.
De nombreuses approches possibles pour résoudre ce problème sont explorées. Par exemple, nous avons précédemment discuté :
- Utiliser différents matériaux pour la production d’hydrogène, comme le tungstène‑cobalt ou le nickel.
- Utiliser des ferrailles provenant de l’usinage du platine et du cobalt.
- Créer un processus de photosynthèse artificielle avec des nanoparticules de ruthénium.
Chacune de ces méthodes pourrait finalement permettre de créer des catalyseurs moins chers qui ne nécessitent pas une grande quantité de platine frais pour produire de l’hydrogène.
Mais une nouvelle approche consiste à réaliser une photocatalyse directe, c’est‑à‑dire la transformation de l’eau en hydrogène directement à partir de l’énergie solaire, sans passer d’abord par la conversion en énergie électrique. La photocatalyse directe peut non seulement éliminer le besoin de multiples étapes, mais aussi utiliser des matériaux plus simples et moins rares pour construire des systèmes de génération d’énergie verte et des infrastructures.
C’est l’approche défendue par des chercheurs de l’Université de Linköping (Suède), de l’Université de Kyushu (Japon), du laboratoire MAX IV (Suède) et de l’Université de technologie de Dalian (Chine). Ils ont publié leurs dernières avancées dans le Journal of the American Chemical Society1 sous le titre « Manipulating Electron Structure through Dual-Interface Engineering of 3C‑SiC Photoanode for Enhanced Solar Water Splitting ».
Le carbure de silicium pour la photocatalyse
Comment le carbure de silicium permet la photocatalyse directe
Cette équipe de recherche a précédemment travaillé avec un matériau appelé carbure de silicium cubique (3C‑SiC).
Source: RRL Solar
Le matériau peut capturer efficacement la lumière du soleil pour la production d’hydrogène grâce à la réaction de séparation photochimique de l’eau.
Source: RRL Solar
Lorsque la lumière du soleil frappe le matériau, des charges électriques sont générées (comme dans un panneau solaire en polysilicium), puis utilisées pour séparer l’eau.
Un défi dans le développement de matériaux pour cette application est d’empêcher les charges positives et négatives de se recombiner et de s’annuler mutuellement.
Ainsi, pour rendre la séparation de l’eau en hydrogène plus efficace, il est important de garder les charges électriques séparées.
Nouvelle conception de catalyseur en carbure de silicium à trois couches
Les chercheurs ont combiné une couche de carbure de silicium cubique avec deux autres couches, en utilisant de l’hydroxyde de nickel (Ni(OH)₂) et des oxydes de cobalt (Co₃O₄).
L’équipe avait auparavant perfectionné la production de carbure de silicium cubique grâce à la technique de sublimation, confirmant la qualité du cristal par diffraction des rayons X (XRD).
Ils ont également confirmé que l’interface entre les couches augmentait la durée de vie des charges électriques, augmentant ainsi les chances que les électrons soient utilisés par les réactions chimiques qui séparent l’eau en hydrogène et en oxygène.
« C’est une structure très compliquée, donc notre objectif dans cette étude a été de comprendre la fonction de chaque couche et comment elle contribue à améliorer les propriétés du matériau.
Le nouveau matériau offre une performance huit fois meilleure que le carbure de silicium cubique pur pour la séparation de l’eau en hydrogène.
Prochaines étapes pour améliorer l’efficacité de la photocatalyse
Jusqu’à présent, la photocatalyse au carbure de silicium n’a pu atteindre qu’un rendement énergétique de 1‑3 %.
La présence d’une couche « P‑type » d’oxyde de cobalt sous les structures d’hydroxyde de nickel accélère le déplacement des électrons, accélérant ainsi la production d’hydrogène.
Bien que le rendement ne soit pas encore atteint, les chercheurs estiment que cela pourrait être amélioré de façon significative avec leur méthode.
En fin de compte, un rendement supérieur à 10 % est attendu, sans nécessiter de platine ou de palladium, ni d’infrastructure élaborée ou d’alimentation continue, la production d’hydrogène se produisant directement dès que le soleil éclaire le dispositif.
Investir dans les entreprises de carbure de silicium
ON Semi
(ON )
ON Semi est une entreprise de semi‑conducteurs spécialisée dans l’électrification, y compris dans l’automobile, mais aussi dans d’autres secteurs comme l’énergie solaire, les batteries, l’aérospatiale, les télécommunications, les centres de données et le médical.
En tant que telle, elle est un partenaire clé pour de nombreuses grandes entreprises industrielles du monde.
Source: ON Semi
Une grande partie de l’avantage technologique d’ON Semi repose sur le carbure de silicium, un composé de silicium‑carbone utilisé pour les systèmes électriques à haute énergie. Ils permettent notamment de supporter des charges très élevées requises pour la recharge rapide des véhicules électriques.
Le carbure de silicium est le produit chimique récemment utilisé par les chercheurs pour développer du graphène semi‑conducteur, comme évoqué dans notre article « Graphene Semiconductors – Are They Finally Here? » et, comme mentionné ici, il possède également un potentiel pour la génération d’hydrogène.
La stratégie d’ON Semi de miser sur le carbure de silicium a conduit l’entreprise à connaître une forte hausse de ses revenus ces dernières années, portée par la révolution des véhicules électriques.
Source: ON Semiconductor
Des batteries et systèmes électriques toujours plus puissants et efficaces utilisant le carbure de silicium deviennent de plus en plus importants dans la chaîne d’approvisionnement mondiale. En tant que leader du secteur, ON Semi devrait largement bénéficier de la tendance à l’électrification, notamment les véhicules électriques et les autres énergies vertes.
(Vous pouvez également lire un article plus long sur cette entreprise dans « On Semiconductor (ON) : le carbure de silicium au service de l’électrification »).
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Étude référencée
1. Hui Zeng, et al. (2025) Manipulating Electron Structure through Dual-Interface Engineering of 3C‑SiC Photoanode for Enhanced Solar Water Splitting. Journal of the American Chemical Society Vol 147/Numéro 17. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c04005
