Cette machine à hydrogène pourrait être le guide ultime de l’auto-amélioration – Technoguide

Il y a trois ans, des scientifiques de l’Université du Michigan ont découvert un dispositif de photosynthèse artificielle fait de silicium et de nitrure de gallium (Si / GaN) qui exploite la lumière du soleil en hydrogène sans carbone pour les piles à combustible avec une efficacité et une stabilité deux fois supérieures à certaines technologies précédentes.

Maintenant, des scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du Department of Energy (DOE) – en collaboration avec l’Université du Michigan et le Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) – ont découvert une propriété surprenante et auto-améliorante dans Si / GaN qui contribue à la performance hautement efficace et stable du matériau dans la conversion de la lumière et de l’eau en hydrogène sans carbone. Leurs découvertes, rapportées dans la revue Nature Materials, pourraient contribuer à accélérer radicalement la commercialisation des technologies de photosynthèse artificielle et des piles à hydrogène.

«Notre découverte change vraiment la donne», a déclaré l’auteure principale Francesca Toma, scientifique au sein de la Division des sciences chimiques du Laboratoire national Lawrence Berkeley du Département de l’énergie (Berkeley Lab). Habituellement, les matériaux des systèmes à combustibles solaires se dégradent, deviennent moins stables et produisent donc de l’hydrogène moins efficacement, a-t-elle déclaré. “Mais nous avons découvert une propriété inhabituelle dans Si / GaN qui lui permet d’une manière ou d’une autre de devenir plus efficace et plus stable. Je n’ai jamais vu une telle stabilité.”

Les précédents matériaux de photosynthèse artificielle sont soit d’excellents absorbeurs de lumière qui manquent de durabilité; ou ce sont des matériaux durables qui manquent d’efficacité d’absorption de la lumière.

Mais le silicium et le nitrure de gallium sont des matériaux abondants et bon marché qui sont largement utilisés comme semi-conducteurs dans l’électronique quotidienne comme les LED (diodes électroluminescentes) et les cellules solaires, a déclaré le co-auteur Zetian Mi, professeur de génie électrique et informatique à l’Université de Michigan qui a inventé les dispositifs de photosynthèse artificielle Si / GaN il y a dix ans.

Lorsque le dispositif Si / GaN de Mi a atteint un rendement record de 3% entre l’énergie solaire et l’hydrogène, il s’est demandé comment de tels matériaux ordinaires pouvaient fonctionner si extraordinairement bien dans un appareil de photosynthèse artificielle exotique – il s’est donc tourné vers Toma pour obtenir de l’aide.

HydroGEN: Adopter une approche Team Science des combustibles solaires

Mi avait appris l’expertise de Toma dans les techniques de microscopie avancées pour sonder les propriétés nanométriques (milliardièmes de mètre) des matériaux de photosynthèse artificielle grâce à HydroGEN, un consortium de laboratoires de cinq pays soutenu par le Bureau des technologies de l’hydrogène et des piles à combustible du DOE, et dirigé par le National Laboratoire des énergies renouvelables pour faciliter les collaborations entre les laboratoires nationaux, les universités et l’industrie pour le développement de matériaux avancés de séparation de l’eau. «Ces interactions entre l’industrie et le milieu universitaire de soutien sur les matériaux avancés de séparation de l’eau avec les capacités des laboratoires nationaux sont précisément la raison pour laquelle HydroGEN a été formé – afin que nous puissions faire avancer la technologie de production d’hydrogène propre», a déclaré Adam Weber, Hydrogen de Berkeley Lab. et directeur du programme du laboratoire des technologies de la pile à combustible et co-directeur adjoint d’HydroGEN.

Toma et l’auteur principal Guosong Zeng, chercheur postdoctoral à la division des sciences chimiques du laboratoire de Berkeley, soupçonnaient que GaN pourrait jouer un rôle dans le potentiel inhabituel de l’appareil pour l’efficacité et la stabilité de la production d’hydrogène.

Pour le savoir, Zeng a mené une expérience de microscopie à force atomique photoconductrice au laboratoire de Toma pour tester comment les photocathodes GaN pouvaient convertir efficacement les photons absorbés en électrons, puis recruter ces électrons libres pour diviser l’eau en hydrogène, avant que le matériau ne commence à se dégrader et à devenir moins. stable et efficace.

Ils s’attendaient à voir une forte baisse de l’efficacité d’absorption des photons et de la stabilité du matériau après seulement quelques heures. À leur étonnement, ils ont observé une amélioration de 2 à 3 ordres de grandeur du photocourant du matériau provenant de minuscules facettes le long de la “paroi latérale” du grain de GaN, a déclaré Zeng. Encore plus perplexe, le matériau a augmenté son efficacité au fil du temps, même si la surface globale du matériau n’a pas beaucoup changé, a déclaré Zeng. “En d’autres termes, au lieu de s’aggraver, le matériel s’est amélioré”, a-t-il déclaré.

Pour recueillir plus d’indices, les chercheurs ont recruté la microscopie électronique à transmission à balayage (STEM) au Centre national de microscopie électronique de la fonderie moléculaire de Berkeley Lab et la spectroscopie photonique à rayons X dépendante de l’angle (XPS).

Ces expériences ont révélé qu’une couche de 1 nanomètre mélangée avec du gallium, de l’azote et de l’oxygène – ou oxynitrure de gallium – s’était formée le long de certaines des parois latérales. Une réaction chimique avait eu lieu, ajoutant “des sites catalytiques actifs pour les réactions de production d’hydrogène”, a déclaré Toma.

Les simulations de la théorie fonctionnelle de la densité (DFT) réalisées par les co-auteurs Tadashi Ogitsu et Tuan Anh Pham au LLNL ont confirmé leurs observations. “En calculant le changement de distribution des espèces chimiques à des parties spécifiques de la surface du matériau, nous avons trouvé avec succès une structure de surface qui est en corrélation avec le développement de l’oxynitrure de gallium comme site de réaction de dégagement d’hydrogène”, a déclaré Ogitsu. “Nous espérons que nos découvertes et notre approche – une collaboration théorie-expériences étroitement intégrée rendue possible par le consortium HydroGEN – seront utilisées pour améliorer encore les technologies de production d’hydrogène renouvelable.”

Mi a ajouté: «Nous travaillons sur ce matériau depuis plus de 10 ans – nous savons qu’il est stable et efficace. Mais cette collaboration a aidé à identifier les mécanismes fondamentaux qui expliquent pourquoi il devient plus robuste et efficace au lieu de se dégrader. ces travaux nous aideront à construire des dispositifs de photosynthèse artificielle plus efficaces à moindre coût. “

Pour l’avenir, Toma a déclaré qu’elle et son équipe aimeraient tester la photocathode Si / GaN dans une cellule photoélectrochimique à séparation d’eau, et que Zeng expérimentera des matériaux similaires pour mieux comprendre comment les nitrures contribuent à la stabilité des dispositifs de photosynthèse artificielle. – ce qu’ils n’auraient jamais cru possible.

“C’était totalement surprenant”, a déclaré Zeng. “Cela n’avait aucun sens – mais les calculs DFT de Pham nous ont donné l’explication dont nous avions besoin pour valider nos observations. Nos résultats nous aideront à concevoir des dispositifs de photosynthèse artificielle encore meilleurs.”

«Il s’agissait d’un réseau de collaboration sans précédent entre les laboratoires nationaux et une université de recherche», a déclaré Toma. “Le consortium HydroGEN nous a réunis – notre travail démontre comment l’approche de l’équipe scientifique des laboratoires nationaux peut aider à résoudre de gros problèmes qui affectent le monde entier.”

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