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Poussée par la croissance démographique, mais aussi par des appareils électroniques plus puissants et des systèmes électroniques plus complexes, la société moderne est de plus en plus gourmande en énergie, ce qui nous contraint à puiser de l’énergie partout où on peut en trouver. Les matériaux 2D présentent un intérêt grandissant pour la conception d’appareils propres dédiés à la récolte d’énergie, car cette vaste classe de matériaux regroupe des matériaux modifiables et adaptables en fonction des applications auxquelles ont les destine. Cela est dû, d’une part, à la large palette de matériaux disponibles et, d’autre part, à la possibilité de les modifier à l’échelle atomique.

Aujourd’hui, les dispositifs de récolte d'énergie en matériaux 2D sont à l’essai aussi bien dans des applications à petite échelle pour l’alimentation d’appareils individuels que dans des configurations de plus grande envergure destinées à produire des quantités d'énergie plus conséquentes. Puisque nous sommes contraints de réduire notre dépendance aux combustibles fossiles et aux sources d'énergie non renouvelables et si les énergies propres doivent finalement totalement se substituer aux combustibles fossiles, il nous faut exploiter toutes les ressources naturelles de la Terre, y compris les différentes formes d'énergie.

La récolte d’énergie hydraulique fait déjà l’objet d’une grande attention dans le secteur des énergies et il est d’ores et déjà possible de récupérer de l’énergie grâce aux barrages hydroélectriques, aux systèmes de récolte d’énergie marémotrice et depuis n’importe quelle source d’eau en mouvement, comme les rivières. La Terre étant composée à 70 % d’eau, elle constitue une ressource naturelle qui a le potentiel de fournir de grandes quantités d’énergie.

Même si les grands systèmes récupérateurs dominent nettement l’activité de récolte d’énergie hydraulique, une quantité non négligeable d’énergie peut être récoltée à partir des eaux à faible débit, par exemple la chute de la pluie, le mouvement des marées ou l’effet d’osmose dans les gradients de salinité. Les matériaux 2D présentent ainsi l’avantage de pouvoir être utilisés dans la construction de dispositifs plus efficaces à destination des grands systèmes de récolte d’énergie hydraulique, mais aussi le potentiel de récolter de l’énergie hydraulique qui n’aurait pas pu l’être autrement, et ce, grâce à leur taille réduite et à leurs excellentes propriétés de récupération d’énergie.

Les domaines cibles de la récolte d’énergie hydraulique

L’utilisation de matériaux 2D convient particulièrement à des applications dans un certain nombre de domaines de la récolte d’énergie hydraulique, mais aussi à des applications de dissociation de l’eau. Il s’agit certes d’un processus photocatalytique et non d’un procédé de récolte d’énergie hydraulique, mais il vaut la peine d’être mentionné et nous y reviendrons d’ailleurs une autre fois. En plus donc de la dissociation de l’eau, les matériaux 2D suscitent beaucoup d’intérêt dans d’autres domaines d’application.

Les matériaux 2D sont déjà utilisés dans les systèmes de récolte et de stockage d’énergie de grande taille, mais ce qui devient réellement intéressant est la capacité qu’ont d’autres systèmes de récolter d’autres types d’énergie à partir de l’eau. Dans le domaine de la récolte d’énergie à petite échelle, deux techniques, actuellement en phase de développement et de test, se détachent :

• la récolte de l’énergie osmotique des gradients de salinité ;
• la récolte de l’énergie générée par le mouvement de l’eau pour produire de l’électricité.

L’énergie osmotique

La récolte de l’énergie osmotique permet de transformer en énergie électrique la réaction chimique provoquée par la différence de concentration en sel entre deux masses d’eau. Ce procédé est mis en œuvre là où l’eau douce des rivières rencontre l’eau salée des océans. La grande différence de salinité de ces deux masses d’eau crée un gradient de salinité. Bien que cette approche ne permette qu’une récolte de faible ampleur, ce procédé permet néanmoins de produire jusqu’à 0,8 kWh/m³ d’électricité.

L’énergie osmotique est produite par le passage d’un flux d’ions chargés à travers une membrane sélective d’ions semi-perméable. Ces membranes, dont l’épaisseur, le diamètre de pores et la densité sont variables, séparent les réservoirs d’eau douce et salée de façon à créer une différence de potentiel chimique. C’est dans ces membranes très fines et semi-perméables que les matériaux 2D ont un rôle plus qu’intéressant à jouer.

La récolte de l’énergie du mouvement de l’eau

Cette deuxième approche nécessite moins d’infrastructures physiques pour exploiter l’énergie de l’eau et repose sur des phénomènes électrocinétiques ou piézoélectriques pour convertir l’énergie du mouvement de l’eau en électricité. Dans ce processus, une double couche électrique se forme entre une surface solide chargée et un fluide. Cette double couche électrique contient une couche de diffusion riche en contre-ions. Lorsqu’elle est exposée à un stimulus externe, cette couche de diffusion se modifie et génère un mouvement entre le fluide et le solide. C’est ce que l’on appelle le phénomène électrocinétique.

Les interactions entre eau et matériau solide peuvent générer différents effets électrocinétiques, par exemple les mouvements d’étirement et de chute des gouttelettes de pluie et l’exposition à l’humidité. Cela dépend de la capacité du matériau utilisé à interagir avec les molécules d’eau dans l’humidité, comme certaines feuilles à base de graphène. Cette technique permet d’envisager l’utilisation de matériaux 2D pour exploiter l’énergie des précipitations et de l’humidité dans l’atmosphère.

L'utilisation de matériaux 2D dans des applications de collecte d’eau

Outre leur polyvalence et leur grand nombre, les matériaux 2D possèdent de multiples propriétés qui en font un choix idéal pour un usage dans les applications de récolte d’énergie hydraulique de faible dimension. Une des principales propriétés des matériaux 2D est qu’ils ont un rapport surface/volume d’atomes très élevé et offrent par conséquent une excellente plateforme d’interaction avec les molécules d’eau – ce qui est généralement impossible avec des technologies et des matériaux conventionnels plus volumineux. En plus d’offrir une grande surface d’interaction, certains matériaux 2D, en particulier des dérivés de graphène, possèdent une excellente capacité d’interaction triboélectrique avec les molécules d’eau. Ils sont donc parfaitement adaptés aux applications de récolte d’énergie hydraulique. C’est une propriété intéressante aussi pour d’autres types de systèmes de récolte d’énergie, que ce soit de petits dispositifs ou de grandes installations.

Pour ce qui est de la récolte d’énergie osmotique, les matériaux 2D présentent des avantages uniques qu’aucun autre matériau ne peut offrir. La grande surface des matériaux 2D permet de créer des membranes semi-perméables avec une surface de travail plus élevée que lorsqu’elles sont constituées d’autres matériaux. De plus, les matériaux 2D peuvent être fonctionnalisés et adaptés de plusieurs manières, ce qui permet de créer des pores beaucoup plus grands dans la membrane afin de réduire l’encrassement de la membrane.

Les membranes en matériaux 2D offrent des performances décuplées par rapport aux membranes plus volumineuses. La finesse inhérente aux membranes conçues dans un matériau 2D augmente également le gradient de concentration d’ions à travers le dispositif de récolte, ce qui permet d’obtenir une densité de puissance plus élevée. À l’heure actuelle, plusieurs membranes d’énergie osmotique ont été créées à base de dérivés de graphène et d’oxyde de graphène, de dichalcogénures de métaux de transition (par exemple le disulfure de molybdène) et de nitrure de bore hexagonal.

Le domaine de la récolte de l’énergie produite par les mouvements d’eau est quant à lui moins développé. Dans ce domaine, la récupération de l’énergie des précipitations semble présenter le plus fort potentiel. La chute d’une goutte de pluie sur une feuille de matériau 2D inclinée peut générer une tension électrique supérieure à celle de l’étirement d’une goutte d’eau. Cela est dû à la forte propagation de la goutte d’eau lors de l’impact sur une feuille de grande surface.

Une autre technique enfin consiste à récupérer l’humidité qui peut se former dans certains appareils électroniques. Grâce à leur capacité d’interagir avec la vapeur d’eau, les matériaux 2D – en particulier des dérivés de graphène – ont été utilisés au fil des années pour concevoir plusieurs types de capteurs d’humidité. Il est désormais possible de transformer l’humidité en une sortie électrique grâce à un dispositif de récolte d’énergie. Plusieurs récupérateurs d’humidité à base de graphène sont en cours de test. Certains peuvent exploiter l’énergie à divers degrés d’humidité, jusqu’à 90 %.

Dans ces dispositifs, l’humidité est convertie via un processus de génération électrique directe où la vapeur d’eau provoque le déplacement d’ions d’hydrogène chargés à travers la feuille 2D et génère une sortie de tension en circuit ouvert. En quelques années, les améliorations techniques ont déjà permis de passer d’une tension de sortie initiale de 35 mV à 1,5 V aujourd’hui. Il est en outre possible de créer de grands ensembles de membranes afin d’obtenir de plus grandes quantités d’électricité. Cette technique vise des domaines d’application ambitieux tels que les calculatrices, les LED, les écrans LCD et les dispositifs IoT autoalimentés.

Conclusion

Les systèmes de récolte d’énergie hydraulique à petite échelle ne sont certainement pas encore aussi répandus que leurs homologues de grande envergure comme les barrages hydroélectriques et les centrales marémotrices, mais ce procédé offre un moyen d’exploiter l’énergie qui n’aurait de toute façon pas pu être récupérée avec d’autres matériaux ou par les technologies conventionnelles de récupération d’énergie. C’est en effet la combinaison d’une surface élevée et des excellentes propriétés d’interaction des matériaux 2D qui permet de les utiliser dans ces types de dispositifs de récolte d’énergie. Les techniques les plus prometteuses dans ce domaine étant d’une part la récupération de l’énergie osmotique des gradients de salinité (c'est à dire la différence de concentration de sel entre une masse d’eau douce et une masse d’eau de mer) et d’autre part la récupération de l’énergie produite par les mouvements de l’eau, notamment les précipitations.