Chercheurs ICN2 dirigés par ICREA Prof. Jordi Arbiol, en collaboration avec l'IREC et l'ICIQ, ont produit un matériau à utiliser dans la séparation photoélectrochimique de l'eau qui est non seulement moins cher que les alternatives existantes, mais augmente à la fois l'efficacité et le rendement du processus. Basé sur l'intégration de plusieurs matériaux dans une structure nanofilaire multicouche, la recherche a fait la couverture du magazine de ce mois-ci Sciences de l'énergie et de l'environnement .

La séparation photoélectrochimique (PEC) de l'eau est un processus par lequel la lumière du soleil est exploitée en combinaison avec des matériaux semi-conducteurs spécialisés pour induire l'électrolyse et séparer l'hydrogène de la molécule d'eau. Avec le changement climatique mondial entraînant le besoin de sources efficaces d'énergie durable, c'est un sujet qui a reçu beaucoup d'attention ces dernières années. Les chercheurs de l'ICN2 en collaboration avec l'Institut catalan de recherche énergétique (IREC) et l'Institut de recherche chimique de Catalogne (ICIQ) ont optimisé les propriétés du matériau semi-conducteur pour une conversion solaire-carburant plus efficace et plus productive.

Spécifiquement, le matériau semi-conducteur est nécessaire pour absorber l'énergie solaire et agir comme une électrode dans le processus de séparation de l'eau. Hématite, un semi-conducteur commun avec une bande interdite étroite idéalement adapté à l'absorption du spectre solaire, est une photoanode possible. En tant qu'oxyde de fer (α-Fe 2 O 3 ), l'hématite fait partie des minéraux les plus abondants à la surface de la Terre et est donc considérablement moins chère que l'or et le platine généralement utilisés. Cependant, problèmes liés à l'écoulement de la charge électrique (à savoir, mauvais transport de charge, recombinaison de charge de surface et cinétique de transfert de charge lente) ont limité son application pratique dans la séparation de l'eau PEC.

Pour surmonter ces limites, des études antérieures ont porté sur le développement de composites d'hématite, structures qui incorporent un second matériau qui confère des propriétés compensatoires ou d'augmentation à la base d'hématite. Un certain nombre de matériaux ont été étudiés dans des formulations binaires avec l'hématite. Jordi Arbiol et son équipe ont intégré quatre matériaux complets dans une nanostructure multicouche et ont systématiquement étudié les performances PEC de la photoanode résultante, éclairant également les mécanismes chimiques sous-jacents.

Dans le journal, Le premier auteur PengYi Tang décrit en détail les processus de fabrication par lesquels les quatre matériaux abondants sur terre sont réunis dans une nouvelle hétérostructure d'hématite noyau/coque à base de nanofils avec des "nanodots" (voir illustration). Une étude de la cinétique de transfert de charge aux interfaces des électrodes met également en évidence le rôle du rapport densité d'état de surface/densité de donneur dans la détermination de l'efficacité de transfert de charge du matériau pour la séparation de l'eau PEC.

Les photoanodes composites quaternaires conçues surpassent les structures de pointe existantes, tandis que le travail dans son ensemble présente une image plus complète du comportement de ces photoanodes intégrées.