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

Publié par Adrien le 30/05/2020 à 09:00
Source: CEA IRIG
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 (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à...) et qui est interfacé avec un catalyseur (En chimie, un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d'une réaction chimique ; il participe à la réaction mais il ne fait partie ni des produits, ni des réactifs et n'apparaît donc pas dans l'équation-bilan de cette...) moléculaire ne renfermant que des éléments abondants sur terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus massive des quatre...).

L'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) (H2) est un carburant (Un carburant est un combustible qui alimente un moteur thermique. Celui-ci transforme l'énergie chimique du carburant en énergie mécanique.) 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 combustion est vive, elle se traduit par une flamme voire...) avec de l'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.) moléculaire (O2) au sein de piles à combustibles. Mais comment produire de l'hydrogène vert (Le vert est une couleur complémentaire correspondant à la lumière qui a une longueur d'onde comprise entre 490 et 570 nm. L'œil humain possède un récepteur, appelé cône M, dont la bande passante est axée sur cette fréquence. Le...), c'est-à-dire sans empreinte carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.) ? Une idée est d'imiter la photosynthèse (La photosynthèse (grec φῶς phōs, lumière et σύνθεσις sýnthesis, composition) est le processus bioénergétique qui permet aux...), qui n'utilise que de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) et de l'énergie solaire (L'énergie solaire est l'énergie que dispense le soleil par son rayonnement, directement ou de manière diffuse à travers l'atmosphère. Sur Terre, l'énergie solaire est à l'origine du cycle de l'eau et...). 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 faire des objets.) à la fois actifs, stables et basés sur des éléments abondants et bon marché. Dans le cadre de l'initiative "Make (make est un logiciel traditionnel d'UNIX. C'est un « moteur de production » : il sert à appeler des commandes créant des fichiers....) Our Planet (Un Planet est un site Web dynamique qui agrège le plus souvent sur une seule page, le contenu de notes, d'articles ou de billets publiés sur des blogs ou sites Web afin d'accentuer leur visibilité et de faire ressortir des...) 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 (En génétique, l'hybride est le croisement de deux individus de deux variétés, sous-espèces (croisement intraspécifique), espèces (croisement...), basée sur un semi-conducteur (Un semi-conducteur est un matériau qui a les caractéristiques électriques d'un isolant, mais pour lequel la probabilité qu'un...) de type p qui absorbe la lumière et qui est interfacé avec un catalyseur moléculaire. L'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une...) ne renferme que des éléments non toxiques et retrouvés en quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une collection ou un groupe de...) abondante dans la croûte terrestre (La croûte terrestre est la partie superficielle et solide du matériau dont est faite la Terre. C'est la partie supérieure de la lithosphère (qui constitue les plaques tectoniques).).

La stratégie (La stratégie - du grec stratos qui signifie « armée » et ageîn qui signifie « conduire » - est :) suivie consiste à utiliser un oxyde (Un oxyde est un composé de l'oxygène avec un élément moins électronégatif, c'est-à-dire tous sauf le fluor. Oxyde désigne également l'ion oxyde...) mixte semi-conducteur composé de fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau ferromagnétique le plus courant dans la vie quotidienne, sous forme pure ou...) et de cuivre (Le cuivre est un élément chimique de symbole Cu et de numéro atomique 29. Le cuivre pur est plutôt mou, malléable, et présente sur ses surfaces fraîches une teinte rosée...) pour absorber la lumière visible (La lumière visible, appelée aussi spectre visible ou spectre optique est la partie du spectre électromagnétique qui est visible pour l'œil humain.) (Figure 1) et générer un flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens commun. Plus précisément le terme est employé dans les domaines suivants :) d'électrons depuis l'électrode où il est déposé jusqu'à sa surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement confondu avec sa...). Ce matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base...), composé uniquement d'éléments abondamment trouvés sur Terre, a été protégé de la corrosion par une fine couche d'oxyde de titane (Le titane est un élément chimique métallique de symbole Ti et de numéro atomique 22.) (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 (Graphie) 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 (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel 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 et des machines thermiques ou la science des grands systèmes en équilibre. La...) pour l'électrolyse (Dans l'industrie chimique, l'électrolyse est une méthode de séparation d'éléments ou de composés chimiques liés utilisant l'électricité.) 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 pour prendre une décision ou pour effectuer un calcul.) important qui quantifie, quant à lui, la fraction des photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux...) réellement convertis et donc la vitesse (On distingue :) 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 (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.) ou d'oxydes de cuivre.


Figure 2: Voltammogrammes à balayage linéaire montrant le déplacement de la vague (Une vague est un mouvement oscillatoire de la surface d'un océan, d'une mer ou d'un lac. Les vagues sont générées par le vent et ont une amplitude...) 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 (Futurs est une collection de science-fiction des Éditions de l'Aurore.) 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 (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des...) et Biologie (La biologie, appelée couramment la « bio », est la science du vivant. Prise au sens large de science du vivant, elle recouvre une...) des Métaux, UGA, CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).), 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 responsabilité de la construction et au contrôle des...) QuantiqueS, UGA, CNRS, CEA), SyMMES (Systèmes Moléculaires et nanoMatériaux pour l'Énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) et la Santé (La santé est un état de complet bien-être physique, mental et social, et ne consiste pas seulement en une absence de maladie ou d'infirmité.), 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 (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des composants de l'atome.), 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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