Lorsque le scientifique de Lawrence Livermore, Tadashi Ogitsu, a loué une voiture à pile à combustible à hydrogène en 2017, il savait que son trajet quotidien changerait pour toujours. Il n'y a pas de gaz à effet de serre qui sortent du tuyau d'échappement, juste un peu de vapeur d'eau.

Le marché des voitures à hydrogène est en pleine croissance. Selon un récent rapport de la California Energy Commission et du California Air Resources Board, l'état abrite aujourd'hui 31 stations-service à hydrogène.

Le prochain défi consiste à rendre le carburant hydrogène rentable et durable.

"L'hydrogène peut être produit à partir de plusieurs sources, mais le Saint Graal est de le faire à partir de l'eau et du soleil, " dit Ogitsu, membre du groupe de simulations quantiques du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL). Il est également membre du comité directeur du HydroGEN Advanced Water Splitting Materials Consortium, un consortium dirigé par un laboratoire dans le réseau des matériaux énergétiques du ministère de l'Énergie (DOE). Il se concentre sur la production d'hydrogène à partir de l'eau via une électrolyse avancée à haute et basse température, ainsi que des processus photoélectrochimiques et thermochimiques solaires et est géré par l'Office des technologies des piles à combustible de l'Office de l'efficacité énergétique et des énergies renouvelables (EERE) du DOE.

L'un des défis associés aux technologies de fractionnement de l'eau à énergie solaire pour la production d'hydrogène est la stabilité de l'appareil qui effectue la tâche. Dans la production d'hydrogène photoélectrochimique (PEC), un photoabsorbeur à semi-conducteur captant la lumière du soleil est immergé directement dans une solution d'électrolyte à base d'eau. Un défi est que bon nombre des matériaux photoabsorbants les plus efficaces, tels que le silicium et le phosphure d'indium, sont souvent instables dans les conditions de fonctionnement du PEC. Ceci est largement dû aux réactions chimiques à l'interface solide/liquide, dont certains entraînent une oxydation et une dégradation des matériaux.

Avec des collègues de l'Université Notre Dame et du Lawrence Berkeley National Laboratory, Les scientifiques du LLNL ont développé une technique intégrée théorie-expérience pour interroger la chimie aux interfaces solide/liquide. Cette technique a été appliquée pour comprendre les oxydes formés sur les surfaces de phosphure de gallium (GaP) et de phosphure d'indium (InP) dans des conditions pertinentes pour la production d'hydrogène PEC, un premier pas vers la maîtrise de la chimie de ces matériaux. La recherche apparaît sur la couverture du Journal des lettres de chimie physique dans l'édition du 4 janvier.

Ogitsu, Brandon Wood et l'auteur principal Tuan Anh Pham ont tiré parti des capacités de calcul haute performance du LLNL pour simuler d'éventuelles espèces chimiques pouvant apparaître sur les surfaces des photoabsorbants en contact avec des milieux aqueux. Ces espèces ont ensuite été caractérisées par des empreintes digitales spectroscopiques à l'aide de calculs de mécanique quantique.

Des chercheurs de Notre Dame ont validé expérimentalement les calculs à l'aide de la spectroscopie photoélectronique à rayons X de pointe. Au-delà de fournir une compréhension détaillée de la chimie à l'interface solide/liquide, les auteurs ont exploré comment cela affecte la stabilité des semi-conducteurs pendant le fonctionnement. Par exemple, ils ont découvert que, par rapport à GaP, le réseau hydrogène à proximité des surfaces InP est beaucoup plus fluide, facilitant l'auto-guérison des imperfections de surface qui se traduisent par une meilleure résistance à la corrosion de l'InP.

"Les développements rapides des méthodes informatiques et expérimentales permettent désormais d'intégrer directement les deux d'une manière que nous n'avons jamais vue auparavant, " a déclaré Pham. "Cela fournit une nouvelle façon de comprendre la chimie d'interfaces très complexes qui, autrement, ne pourraient pas être abordées par une seule technique. Notre travail est une feuille de route pour sonder ces types d'interfaces dans une grande variété de technologies énergétiques."