Photosynthèse artificielle: hybrider molécules et matériaux pour la production d'hydrogène

Publié par Adrien le 30/05/2020 à 09:00
Source: CEA IRIG
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Dans le cadre de l'initiative "Make Our Planet Great Again", des chercheurs ont fait un pas de plus dans la préparation d'une photo-électrode durable pour la production d'hydrogène, constituée d'un semi-conducteur de type p qui absorbe la lumière et qui est interfacé avec un catalyseur (En chimie, un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d'une réaction chimique ;...) moléculaire ne renfermant que des éléments abondants sur terre.

L'hydrogène (H2) est un carburant prometteur et un bon moyen de stockage des énergies renouvelables qu'il restituera ultérieurement par combustion (La combustion est une réaction chimique exothermique d'oxydoréduction. Lorsque la...) avec de l'oxygène moléculaire (O2) au sein de piles à combustibles. Mais comment produire de l'hydrogène vert, c'est-à-dire sans empreinte carbone ? Une idée est d'imiter la photosynthèse (La photosynthèse (grec φῶς phōs, lumière et...), qui n'utilise que de l'eau et de l'énergie solaire (L'énergie solaire est l'énergie que dispense le soleil par son rayonnement, directement ou de...). La durabilité de cette technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) à venir repose toutefois sur le développement de nouveaux matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) à la fois actifs, stables et basés sur des éléments abondants et bon marché. Dans le cadre de l'initiative "Make Our Planet Great Again", des chercheurs ont fait un pas de plus vers la préparation d'une photo-électrode durable pour la production d'hydrogène. Cette photo-électrode repose sur une architecture (L’architecture peut se définir comme l’art de bâtir des édifices.) hybride, basée sur un semi-conducteur (Un semi-conducteur est un matériau qui a les caractéristiques électriques d'un...) de type p qui absorbe la lumière et qui est interfacé avec un catalyseur moléculaire. L'ensemble ne renferme que des éléments non toxiques et retrouvés en quantité abondante dans la croûte terrestre (La croûte terrestre est la partie superficielle et solide du matériau dont est faite la Terre....).

La stratégie suivie consiste à utiliser un oxyde mixte semi-conducteur composé de fer et de cuivre pour absorber la lumière visible (La lumière visible, appelée aussi spectre visible ou spectre optique est la partie du...) (Figure 1) et générer un flux d'électrons depuis l'électrode où il est déposé jusqu'à sa surface. Ce matériau, composé uniquement d'éléments abondamment trouvés sur Terre, a été protégé de la corrosion par une fine couche d'oxyde de titane (TiO2) amorphe (non cristalline) de moins de 10 nm d'épaisseur qui a été déposée par Atomic Layer Deposition (ALD), un procédé de référence utilisé pour déposer des films très minces. Cette fine couche de TiO2 permet également le transfert d'électrons vers un catalyseur moléculaire, une cobaloxime (Figure 1) greffée à sa surface. Ce catalyseur et son greffage ont été précédemment mis au point et décrits par ces chercheurs.


Schéma du cheminement des électrons au sein de la photo-cathode hybride CuFexOy|TiO2-CoHEC.

La collaboration avec des chercheurs de l'institut Néel et de l'EPFL a permis d'entreprendre une caractérisation détaillée de l'architecture de cette photo-électrode hybride et une meilleure compréhension de ses performances. Cette photo-électrode s'avère capable de produire de l'hydrogène à partir de solutions aqueuses lorsqu'on lui applique un potentiel beaucoup plus positif que ce que demande la thermodynamique (On peut définir la thermodynamique de deux façons simples : la science de la chaleur...) pour l'électrolyse (Dans l'industrie chimique, l'électrolyse est une méthode de séparation d'éléments ou de...) de l'eau (Figure 2). Cette valeur permet de quantifier la capacité du système à stocker l'énergie solaire sous forme d'hydrogène. Le photo-courant généré est un autre paramètre (Un paramètre est au sens large un élément d'information à prendre en compte...) important qui quantifie, quant à lui, la fraction des photons réellement convertis et donc la vitesse de production d'hydrogène. Globalement, le photo-courant généré et la valeur du potentiel d'apparition de ce photo-courant confèrent à cette architecture hybride des performances très prometteuses qui se comparent bien avec celles d'autres systèmes récemment décrits à base de silicium ou d'oxydes de cuivre.


Figure 2: Voltammogrammes à balayage linéaire montrant le déplacement de la vague de production d'hydrogène catalysée par CoHEC suite au photo-potentiel généré au niveau du semi-conducteur CuFexOy-CoHEC. (RHE: Reversible Hydrogen Electrode)

Les travaux futurs viseront à améliorer les performances de la photo-cathode et à l'intégrer dans un système photo-électrochimique complet. Ce système comportera une photo-anode capable de produire des électrons et des protons à partir d'eau, en utilisant une partie complémentaire du spectre solaire, afin d'effectuer une production autonome d'hydrogène solaire.

Notes:

Collaboration: LCBM (Laboratoire Chimie et Biologie des Métaux, UGA, CNRS, CEA), Institut Néel (UGA, CNRS), PHELIQS (Laboratoire PHotonique ELectronique et Ingénierie (L'ingénierie désigne l'ensemble des fonctions allant de la conception et des études à la...) QuantiqueS, UGA, CNRS, CEA), SyMMES (Systèmes Moléculaires et nanoMatériaux pour l'Énergie et la Santé, UGA, CNRS, CEA), LIMNO (Laboratory for Molecular Engineering of Optoelectronic Nanomaterials, EPFL, Suisse).

Un semi-conducteur de type p possède, du fait de défauts intrinsèques ou d'impuretés ajoutées (dopants) en petites quantités un léger déficit en électron, ou un excès de trous positivement chargés.

Le projet Solar-Hybrid est soutenu par le programme postdoctoral MOPGA 2018 (Make our planet great again) et le programme DRF Impulsion 2018.

Références:

Tapia C, Bellet-Amalric E, Aldakov D, Boudoire F, Sivula K, Cagnon L and Artero V.
Achieving visible light-driven hydrogen evolution at positive bias with a hybrid copper-iron oxide | TiO2-cobaloxime photocathode.
Green Chemistry, 2020.
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