La “ rouille ” comme photoanode et ses limites – Technoguide

L’hydrogène sera nécessaire en grande quantité comme vecteur d’énergie et matière première dans le système énergétique du futur. Pour y parvenir, cependant, l’hydrogène doit être produit de manière climatiquement neutre, par exemple par la soi-disant photoélectrolyse, en utilisant la lumière du soleil pour diviser l’eau en hydrogène et en oxygène. En tant que photoélectrodes, des matériaux semi-conducteurs sont nécessaires pour convertir la lumière du soleil en électricité et rester stables dans l’eau. Les oxydes métalliques sont parmi les meilleurs candidats pour des photoélectrodes stables et peu coûteuses. Certains de ces oxydes métalliques ont également des surfaces catalytiquement actives qui accélèrent la formation d’hydrogène à la cathode ou d’oxygène à l’anode.

Pourquoi la rouille n’est-elle pas beaucoup mieux?

Les recherches se sont depuis longtemps concentrées sur l’hématite (? -Fe2O3), largement connue sous le nom de rouille. L’hématite est stable dans l’eau, extrêmement peu coûteuse et bien adaptée comme photoanode avec une activité catalytique démontrée pour le dégagement d’oxygène. Bien que les recherches sur les photoanodes d’hématite se poursuivent depuis environ 50 ans, l’efficacité de conversion du photocourant est inférieure à 50% de la valeur maximale théorique. Par comparaison, le rendement photocourant du matériau semi-conducteur silicium, qui domine désormais près de 90% du marché photovoltaïque, est d’environ 90% de la valeur maximale théorique.

Les scientifiques sont perplexes à ce sujet depuis longtemps. Qu’est-ce qui a été oublié exactement? Quelle est la raison pour laquelle seules des gains d’efficacité modestes ont été obtenus?

L’équipe israélo-allemande résout le puzzle

Dans une étude récente publiée dans Nature Materials, cependant, une équipe dirigée par le Dr Daniel Grave (Université Ben Gurion), le Dr Dennis Friedrich (HZB) et le professeur Dr Avner Rothschild (Technion) a expliqué pourquoi l’hématite est si loin de la valeur maximale calculée. Le groupe du Technion a étudié comment la longueur d’onde de la lumière absorbée dans les films minces d’hématite affecte les propriétés photoélectrochimiques, tandis que l’équipe HZB a déterminé les propriétés des porteurs de charge dépendant de la longueur d’onde dans des couches minces de rouille avec des mesures de micro-ondes résolues dans le temps.

Propriété physique fondamentale extraite

En combinant leurs résultats, les chercheurs ont réussi à extraire une propriété physique fondamentale du matériau qui avait généralement été négligée lors de l’examen des absorbeurs solaires inorganiques: le spectre de rendement de la photogénération. “Grosso modo, cela signifie que seule une partie de l’énergie de la lumière absorbée par l’hématite génère des porteurs de charge mobiles, le reste génère des états excités plutôt localisés et est donc perdu”, explique Grave.

La rouille ne s’améliorera pas beaucoup

«Cette nouvelle approche fournit un aperçu expérimental de l’interaction lumière-matière dans l’hématite et permet de distinguer son spectre d’absorption optique en absorption productive et absorption non productive», explique Rothschild. «Nous pourrions montrer que la limite supérieure efficace de l’efficacité de conversion des photoanodes d’hématite est nettement inférieure à celle attendue sur la base de l’absorption de la bande interdite supérieure», déclare Grave. Selon le nouveau calcul, les photoanodes d’hématite «champions» d’aujourd’hui sont déjà assez proches du maximum théoriquement possible. Donc ça ne va pas beaucoup mieux que ça.

Évaluation des nouveaux matériaux de photoélectrode

L’approche a également été appliquée avec succès au TiO2, un matériau modèle, et au BiVO4, qui est actuellement le matériau de photoanode à oxyde métallique le plus performant. «Avec cette nouvelle approche, nous avons ajouté un outil puissant à notre arsenal qui nous permet d’identifier le potentiel réalisable des matériaux de photoélectrode. La mise en œuvre de cela à de nouveaux matériaux accélérera, espérons-le, la découverte et le développement de la photoélectrode idéale pour la division solaire de l’eau. nous permettent également de «tomber en panne rapidement», ce qui est sans doute tout aussi important lors du développement de nouveaux matériaux absorbants », déclare Friedrich.

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Source de l’histoire:

Matériaux fournis par Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie. Remarque: le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.

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