Ajuster les surfaces des électrodes pour optimiser la production de carburant solaire – Technoguide

Les scientifiques ont démontré que la modification de la couche supérieure d’atomes à la surface des électrodes peut avoir un impact remarquable sur l’activité de division de l’eau solaire. Comme ils l’ont rapporté dans Nature Energy le 18 février, les électrodes de vanadate de bismuth avec plus de bismuth à la surface (par rapport au vanadium) génèrent des quantités plus élevées de courant électrique lorsqu’elles absorbent l’énergie de la lumière du soleil. Ce photocourant entraîne les réactions chimiques qui divisent l’eau en oxygène et hydrogène. L’hydrogène peut être stocké pour une utilisation ultérieure comme carburant propre. En ne produisant que de l’eau lorsqu’il se recombine avec de l’oxygène pour générer de l’électricité dans les piles à combustible, l’hydrogène pourrait nous aider à réaliser un avenir énergétique propre et durable.

«La terminaison de surface modifie l’énergétique interfaciale du système, ou la façon dont la couche supérieure interagit avec la masse», a déclaré l’auteur co-correspondant Mingzhao Liu, un scientifique du groupe de la science de l’interface et de la catalyse du Center for Functional Nanomaterials (CFN), un Bureau des utilisateurs scientifiques du Département américain de l’énergie (DOE) au Brookhaven National Laboratory. “Une surface à terminaison bismuth présente un photocourant qui est 50% plus élevé qu’une surface à terminaison vanadium.”

«Étudier les effets de la modification de surface avec une compréhension au niveau atomique de leurs origines est extrêmement difficile, et cela nécessite des recherches expérimentales et théoriques étroitement intégrées», a déclaré l’auteur co-correspondante Giulia Galli de l’Université de Chicago et le laboratoire national Argonne du DOE.

“Cela nécessite également la préparation d’échantillons de haute qualité avec des surfaces bien définies et des méthodes pour sonder les surfaces indépendamment de la masse”, a ajouté l’auteur co-correspondant Kyoung-Shin Choi de l’Université du Wisconsin-Madison.

Choi et Galli, respectivement leaders expérimentaux et théoriques dans le domaine des combustibles solaires, collaborent depuis plusieurs années pour concevoir et optimiser des photoélectrodes pour la production de combustibles solaires. Récemment, ils ont entrepris de concevoir des stratégies pour éclairer les effets de la composition de la surface des électrodes et, en tant qu’utilisateurs de CFN, ils se sont associés à Liu.

«La combinaison de l’expertise du groupe Choi en photoélectrochimie, du groupe Galli en théorie et en calcul, et du CFN en synthèse et caractérisation des matériaux a été vitale pour le succès de l’étude», a commenté Liu.

Le vanadate de bismuth est un matériau d’électrode prometteur pour la division de l’eau solaire, car il absorbe fortement la lumière du soleil sur une plage de longueurs d’onde et reste relativement stable dans l’eau. Au cours des dernières années, Liu a mis au point une méthode pour la croissance précise de couches minces monocristallines de ce matériau. Des impulsions laser à haute énergie frappent la surface du vanadate de bismuth polycristallin à l’intérieur d’une chambre à vide. La chaleur du laser amène les atomes à s’évaporer et à se poser sur la surface d’un matériau de base (substrat) pour former un film mince.

«Pour voir comment différentes terminaisons de surface affectent l’activité photoélectrochimique, vous devez être en mesure de préparer des électrodes cristallines avec la même orientation et la même composition en vrac», a expliqué le co-auteur Chenyu Zhou, un chercheur diplômé de l’Université Stony Brook travaillant avec Liu. “Vous voulez comparer des pommes avec des pommes.”

Au fur et à mesure de sa croissance, le vanadate de bismuth a un rapport presque un: un du bismuth au vanadium sur la surface, avec un peu plus de vanadium. Pour créer une surface riche en bismuth, les scientifiques ont placé un échantillon dans une solution d’hydroxyde de sodium, une base forte.

«Les atomes de vanadium ont une forte tendance à être arrachés de la surface par cette solution de base», a déclaré le premier auteur Dongho Lee, un chercheur diplômé travaillant avec Choi. “Nous avons optimisé la concentration de base et le temps d’immersion de l’échantillon pour éliminer uniquement les atomes de vanadium de surface.”

Pour confirmer que ce traitement chimique a changé la composition de la couche superficielle supérieure, les scientifiques se sont tournés vers la spectroscopie à diffusion ionique basse énergie (LEIS) et la microscopie à effet tunnel (STM) au CFN.

Dans le LEIS, les atomes chargés électriquement à faible énergie – dans ce cas, l’hélium – sont dirigés vers l’échantillon. Lorsque les ions d’hélium frappent la surface de l’échantillon, ils se dispersent selon un motif caractéristique en fonction des atomes présents tout en haut. Selon l’analyse LEIS de l’équipe, la surface traitée contenait presque entièrement du bismuth, avec un rapport de 80 à 20 du bismuth au vanadium.

“D’autres techniques telles que la spectroscopie photoélectronique aux rayons X peuvent également vous dire quels atomes se trouvent à la surface, mais les signaux proviennent de plusieurs couches de la surface”, a expliqué Liu. “C’est pourquoi LEIS a été si critique dans cette étude – il nous a permis de sonder uniquement la première couche d’atomes de surface.”

En STM, une pointe électriquement conductrice est balayée très près de la surface de l’échantillon tandis que le courant tunnel circulant entre la pointe et l’échantillon est mesuré. En combinant ces mesures, les scientifiques peuvent cartographier la densité électronique – comment les électrons sont disposés dans l’espace – des atomes de surface. En comparant les images STM avant et après le traitement, l’équipe a trouvé une nette différence dans les modèles d’arrangements atomiques correspondant respectivement aux surfaces riches en vanadium et en bismuth.

«La combinaison du STM et du LEIS nous a permis d’identifier la structure atomique et les éléments chimiques sur la couche superficielle la plus élevée de ce matériau de photoélectrode», a déclaré le co-auteur Xiao Tong, scientifique du CFN Interface Science and Catalysis Group et responsable de la surface multi-sondes. système d’analyse utilisé dans les expériences. “Ces expériences démontrent la puissance de ce système pour explorer les relations structure-propriété dominées par la surface dans des applications de recherche fondamentale.”

Les images STM simulées basées sur des modèles de structure de surface dérivés de calculs du premier principe (ceux basés sur les lois fondamentales de la physique) correspondaient étroitement aux résultats expérimentaux.

«Nos calculs du premier principe ont fourni une mine d’informations, y compris les propriétés électroniques de la surface et les positions exactes des atomes», a déclaré Wennie Wang, co-auteur et postdoctoral du Galli Group. “Cette information était essentielle à l’interprétation des résultats expérimentaux.”

Après avoir prouvé que le traitement chimique avait réussi à modifier la première couche d’atomes, l’équipe a comparé le comportement électrochimique induit par la lumière des échantillons traités et non traités.

“Nos résultats expérimentaux et informatiques ont tous deux indiqué que les surfaces riches en bismuth conduisent à une énergie de surface plus favorable et à des propriétés photoélectrochimiques améliorées pour la division de l’eau”, a déclaré Choi. “De plus, ces surfaces ont poussé le photovoltaïque à une valeur plus élevée.”

Plusieurs fois, les particules de lumière (photons) ne fournissent pas assez d’énergie pour la division de l’eau, donc une tension externe est nécessaire pour aider à effectuer la chimie. Du point de vue de l’efficacité énergétique, vous souhaitez utiliser le moins d’électricité supplémentaire possible.

“Lorsque le vanadate de bismuth absorbe la lumière, il génère des électrons et des lacunes d’électrons appelés trous”, a déclaré Liu. “Ces deux porteurs de charge doivent avoir suffisamment d’énergie pour faire la chimie nécessaire à la réaction de division de l’eau: des trous pour oxyder l’eau en oxygène gazeux et des électrons pour réduire l’eau en hydrogène gazeux. Alors que les trous ont plus que suffisamment d’énergie, le les électrons ne le font pas. Ce que nous avons constaté, c’est que la surface terminée par le bismuth élève les électrons à une énergie plus élevée, ce qui facilite la réaction. “

Parce que les trous peuvent facilement se recombiner avec des électrons au lieu d’être transférés dans l’eau, l’équipe a réalisé des expériences supplémentaires pour comprendre l’effet direct des terminaisons de surface sur les propriétés photoélectrochimiques. Ils ont mesuré le photocourant des deux échantillons pour l’oxydation du sulfite. Le sulfite, un composé de soufre et d’oxygène, est un «capteur de trous», ce qui signifie qu’il accepte rapidement les trous avant qu’ils aient une chance de se recombiner avec des électrons. Dans ces expériences, les surfaces terminées au bismuth ont également augmenté la quantité de photocourant généré.

«Il est important que les surfaces d’électrode effectuent cette chimie le plus rapidement possible», a déclaré Liu. “Ensuite, nous explorerons comment les co-catalyseurs appliqués sur les surfaces riches en bismuth peuvent aider à accélérer la livraison des trous dans l’eau.”

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