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De l’électricité générée par de l’eau, du sel et une membrane épaisse de trois atomes

Les chercheurs de l’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne ont exploité le phénomène de l’osmose pour produire de l’électricité avec une efficacité jamais atteinte. Leur dispositif repose sur une membrane innovante épaisse de seulement trois atomes. Ces travaux  sont publiés dans Nature.

Si l’on met en contact de l’eau de mer et de l’eau douce, les ions de sel de l’eau de mer se déplacent vers l’eau douce afin que la teneur en sel s’égalise dans les deux liquides. Le phénomène existe quand ne membrane perméable sépare les deux solutions. Un ion étant un atome électriquement chargé, l’exploitation de ce déplacement de particules permet de récolter de l’électricité.

Les chercheurs du Laboratoire de biologie à l’échelle nanométrique de l’école suisse ont mis au point un dispositif basé sur le phénomène de l’osmose, qui produit de l’électricité avec un rendement jamais atteint. L’innovation réside dans une membrane épaisse de trois atomes placée entre les deux liquides. Potentiellement, un mètre carré d’une telle membrane pourrait alimenter plusieurs dizaines de milliers d’ampoules économiques.

Epaisseur de trois atomes

Le système comprend deux compartiments remplis de liquide et séparés par une membrane de Disulfure de molybdène. La membrane dispose d’un nanopore qui permet aux ions de la solution la plus concentrée de migrer vers la solution la  moins concentrée, jusqu’à l’équilibre. Lors de leur  passage à travers le nanopore, des électrons sont transférés vers une électrode, ce qui permet d’obtenir un courant électrique.

Sélective, la membrane laisse passer les ions chargés positivement, repoussant la plupart des charges négatives. Une tension se crée entre les deux compartiments. L’un contient des ions chargés négativement, l’autre, des ions chargé positivement. La tension permet de «mettre en mouvement» le courant électrique généré par le passage des ions.

Des nanopores de taille optimale

Les chercheurs sont parvenus à réaliser des nanopores de taille optimale, pour sélectionner  le bon débit des ions. La véritable innovation réside dans le choix de la membrane. Dans ce genre de  système, plus la membrane est fine, et plus le courant électrique est important. Épaisse de quelques atomes, la membrane de Disulfure de molybdène est idéale pour générer du courant  osmotique. «C’est la première fois qu’un matériau en deux dimensions est utilisé pour ce type  d’application. » précise Alexandra Radenovic, directrice du laboratoire.

50 000 ampoules économiques avec  un mètre carré de membrane

Le potentiel d’un tel système est impressionnant. En théorie une membrane d’un mètre  carré, dont 30% de la surface serait couverte de nanopores pourrait produire 1MW, soit de quoi alimenter 50 000 ampoules économiques standard.

Avantage capital, le Disulfure de molybdène (MoS) abondant dans la nature peut être généré par déposition en phase vapeur. Le dispositif pourrait être produit à large échelle, même s’il reste à trouver un moyen de  fabriquer des nanopores uniformes.

Les chercheurs ont travaillé sur une membrane dotée d’un seul nanopore, afin  de comprendre exactement tout le processus. «D’un point de vue d’ingénierie, l’étude de  systèmes à un seul nanopore permet d’améliorer notre compréhension fondamentale des  processus impliquant une membrane. Cela nous fournit des informations utiles pour une éventuelle production industrielle et une commercialisation», explique Jiandong Feng.

Avec leur système mono-nanopore, les chercheurs ont déjà pu faire fonctionner un transistor basse consommation en MoS 2, fabriqué en collaboration avec l’équipe d’Andreas Kis de l’EPFL. Des partenaires de l’Université d’Illinois d’Urbana-Champaign ont effectué les simulations de la dynamique moléculaire. La recherche de l’EPFL s’inscrit dans un contexte dynamique. Depuis plusieurs années, l’idée d’utiliser le phénomène d’osmose pour produire de l’électricité suscite un engouement croissant. Des projets pilotes fleurissent un peu partout dans le monde (Norvège, Pays-Bas, Japon, Etats-Unis) pour récupérer cette énergie aux endroits où les fleuves se jettent dans la mer. Pour  l’instant, les membranes, souvent organiques, sont encore trop fragiles, et leur rendement peu satisfaisant. Certains systèmes se basent quant à eux non pas sur le déplacement des ions, mais sur le déplacement des molécules d’eau pour remplir des bassins et actionner des turbines. Si les systèmes deviennent rentables, l’énergie osmotique pourrait jouer un rôle majeur dans la  production d’énergie renouvelable. Alors que les panneaux photovoltaïques dépendent de l’ensoleillement, et les éoliennes du vent, l’énergie osmotique peut être produite en tout temps, à condition de la récupérer dans les estuaires, où eau douce et eau de mer se rencontrent.

Vidéo Youtube (cartoon):

La recherche été menée conjointement par le Laboratory of Nanoscale Biologyet; le Laboratory of Nanoscale Electronics and Structures; de l’EPFL. La simulation a été effectuée en collaboration avec le Narayana Aluru group of University of Illinois at Urbana–Champaign. Ce travail a été  financé par le SNSF Consolidator Grant Bionic.

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