Une nouvelle famille de matériaux pour la production d'hydrogène ''vert''

Publié par Isabelle le 10/05/2022 à 13:00
Source: CNRS INSIS
Des scientifiques ont montré comment des photo-électrodes constituées d'un matériau hybride semiconducteur/métallique peuvent produire de l'hydrogène en utilisant l'énergie solaire de manière efficace et pour un faible coût.


Représentation schématique d'une photo-électrode associant une couche mince (typiquement 1µm) de semi-conducteur (Un semi-conducteur est un matériau qui a les caractéristiques électriques d'un...) III-V (rose) et un substrat de Si (violet), pouvant servir en anode (L'anode est l'électrode où a lieu une réaction électrochimique d'oxydation (menant à la...) ou en cathode (La cathode est une électrode siège d'une réduction, que l'on qualifie alors de réduction...). [La surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) supérieure de la photo-électrode, composée de matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) III-V, est en contact avec l'électrolyte, et la surface inférieure du substrat de Si est en contact avec un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...) conducteur, connecté à la contre-électrode.] Le cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que...) III-V contient des parois (jaune) qui possèdent un caractère métallique, contrairement aux domaines principaux du matériau (rose) qui ont un comportement semi-conducteur. © Charles Cornet

L'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) est un bon vecteur (En mathématiques, un vecteur est un élément d'un espace vectoriel, ce qui permet...) de stockage, de transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus...) et de production d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) ''verte'', car il suffit de le recombiner avec de l'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de...) pour produire de l'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la...) ou de la chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent :...), en ne dégageant que de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...). C'est ainsi, par exemple, qu'une pile à combustible (Une pile à combustible est une pile où la fabrication de l'électricité se fait...) alimente le moteur (Un moteur (du latin mōtor : « celui qui remue ») est un dispositif...) électrique d'un véhicule (Un véhicule est un engin mobile, qui permet de déplacer des personnes ou des charges d'un...) utilisant l'hydrogène comme carburant (Un carburant est un combustible qui alimente un moteur thermique. Celui-ci transforme...). Mais cette solution n'est avantageuse pour l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et...) que si l'hydrogène lui-même est produit de manière décarbonée (à l'aide d'énergies renouvelables par exemple), et non avec des énergies fossiles, comme c'est encore majoritairement le cas aujourd'hui.

C'est ce que propose une équipe de l'institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) Fonctions optiques pour les technologies de l'information (FOTON, CNRS/Université de Rennes 1), en collaboration avec l'Institut des sciences chimiques de Rennes (ISCR, CNRS/ENSCR/Université de Rennes 1) et l'Institut de Physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) de Rennes (IPR, CNRS/Université de Rennes 1), qui a démontré qu'il était possible de produire efficacement, et pour un faible coût, de l'hydrogène en utilisant l'énergie solaire (L'énergie solaire est l'énergie que dispense le soleil par son rayonnement, directement ou de...) pour réaliser l'électrolyse (Dans l'industrie chimique, l'électrolyse est une méthode de séparation d'éléments ou de...) de l'eau. Ces résultats reposent sur l'utilisation d'une nouvelle famille de matériaux pour la réalisation de photo-électrodes. Ils sont publiés dans la revue Advanced Science.

Les chercheurs ont fabriqué des photo-électrodes par dépôt de couches minces de semiconducteurs III-V (GaP, GaAs, GaPSb...) sur un substrat de silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si...). Ce type de technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :), envisagée depuis plusieurs années dans le domaine du photovoltaïque ou de la photonique, permet d'exploiter les bonnes performances optiques des matériaux III-V, tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) en limitant le coût du dispositif. Mais elle a l'inconvénient d'engendrer des défauts cristallins dans le matériau III-V, qui limitent les performances des composants. L'originalité des travaux menés à l'institut FOTON est d'avoir montré que l'on pouvait exploiter les propriétés physiques de ces ''défauts'' pour obtenir des performances photo-électriques compétitives.

En effet, le matériau obtenu, hybride (En génétique, l'hybride est le croisement de deux individus de deux variétés,...), est constitué d'une matrice photo-active, capable d'absorber les photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction...) pour produire des charges électriques (des paires électron-trou), et d'inclusions de tailles nanométriques qui, en se comportant localement comme un métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des...), réalisent la séparation (D'une manière générale, le mot séparation désigne une action consistant à séparer quelque...) et le transport des charges électriques. Les performances expérimentales de ces photo-éléctrodes ont montré que cette famille de matériaux se révélait aussi performante pour la production d'hydrogène que des III-V massifs, pour un coût bien moindre.

Les chercheurs veulent maintenant réaliser une cellule photo-électro-chimique complète qui produira de l'hydrogène et de l'oxygène en utilisant les nouvelles photo-électrodes. Ils vont par ailleurs explorer d'autres applications possibles de ces nouveaux matériaux, pour la réalisation de capteurs (Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une...), de cellules solaires, et de dispositifs photoniques.

Références:
Epitaxial III-V/Si Vertical Heterostructures with Hybrid 2D-Semimetal/Semiconductor Ambipolar and Photoactive Properties
L. Chen, Y. Léger, G. Loget, M. Piriyev, I. Jadli, S. Tricot, T. Rohel, R. Bernard, A. Beck, J. Le Pouliquen, P. Turban, P. Schieffer, C. Levallois, B. Fabre, L. Pedesseau, J. Even, N. Bertru, and C. Cornet.
Advanced Science 2022, 9, 2101661.
https://doi.org/10.1002/advs.202101661
Article disponible sur la base d'archives ouvertes HAL

Contacts:
- Charles Cornet - Professeur des Universités (Dans le système d'enseignement supérieur français actuel, les professeurs des...) à l'Institut fonctions optiques pour les technologies de l'information (Institut FOTON, CNRS/Université Rennes 1) - charles.cornet at insa-rennes.fr
- Communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle,...) INSIS - insis.communication at cnrs (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...).fr
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