En ligne avec les préoccupations mondiales croissantes concernant l'état de notre planète, perfectionner la technologie pour la production d'énergie alternative est devenu un sujet brûlant parmi les chercheurs du monde entier. Parmi les nombreuses techniques étudiées pour générer de l'énergie propre, le fractionnement de l'eau est très prometteur. En particulier, eau (H 2 O) peut être scindé pour obtenir du dihydrogène (H 2 ) en utilisant l'énergie solaire ; c'est ce qu'on appelle le fractionnement photoélectrochimique de l'eau. Le dihydrogène peut être utilisé comme combustible propre pour d'autres machines ou pour produire de l'électricité, ce qui signifie que l'amélioration de nos techniques de fractionnement de l'eau est un moyen garanti de réduire nos émissions de carbone et d'atténuer le réchauffement climatique.

Comment fonctionne la séparation photoélectrochimique de l'eau ? En bref, comme le montre la figure 1, une façon de le faire est d'utiliser un certain type de matériau semi-conducteur, qui s'appelle la photoanode, et connectez-le à une petite source de tension et à un fil métallique, qui fait office de cathode. Lorsqu'il est exposé au soleil, l'eau est divisée en ses atomes constitutifs à ces deux extrémités; les atomes constitutifs se recombinent pour former le H utile 2 et ô 2 comme sous-produit. L'étape cruciale ici est de trouver la stabilité, des matériaux performants pour la photoanode car la sous-étape d'oxydation, qui implique la formation de O 2 , est le plus difficile.

Malheureusement, la plupart des recherches se sont concentrées sur une classe de photoanodes appelées oxynitrures, qui souffrent d'instabilité et se dégradent relativement rapidement car ils ont tendance à s'oxyder lorsqu'ils sont éclairés par la lumière. Pour résoudre ce problème, une équipe de chercheurs de Tokyo Tech dirigée par le professeur Kazuhiko Maeda s'est plutôt concentrée sur un autre type de matériau photoanode, un oxyfluorure de formule chimique Pb 2 Ti 2 O 5.4 F 1.2 . Ce composé ne souffre pas d'auto-oxydation en raison de ses propriétés électroniques.

Bien que cet oxyfluorure soit prometteur pour de nombreuses autres applications, il n'y avait aucune étude sur ses performances photoélectrochimiques en tant que photoanode pour le fractionnement de l'eau. L'équipe de recherche a étudié ce composé dans diverses conditions d'éclairage et de tension appliquée, et trouvé que, de l'utiliser comme photoanode, il est nécessaire de modifier sa surface avec d'autres composés. D'abord, une couche d'oxyde de titane (TiO 2 ) doit être déposé à la surface de l'oxyfluorure pour augmenter le photocourant généré par la réaction de dissociation de l'eau. Puis, les performances de la photoanode peuvent être considérablement améliorées en la revêtant davantage d'oxydes de cobalt (CoOx), qui pénètrent à travers les fissures du TiO 2 couche et favoriser la réaction souhaitée. "La post-modification de la photoanode avec un promoteur d'oxydation de l'eau s'est avérée indispensable pour atteindre des performances stables dans la plupart des cas, " remarque le Pr Maeda.

Les chercheurs ont effectué plusieurs expériences pour caractériser leur photoanode et ses performances pour le fractionnement de l'eau dans diverses conditions, comme sous différents types de lumière et différentes valeurs de tension et de pH (qui est une mesure de l'acidité de l'eau). Leurs résultats sont prometteurs (Fig. 2) et très utiles pour orienter d'autres chercheurs dans la bonne direction. "Jusque là, les oxynitrures et composés similaires ont été considérés comme des matériaux prometteurs mais difficiles à manipuler pour les photoanodes en raison de leur instabilité inhérente à l'auto-oxydation. Pb 2 Ti 2 O 5.4 F 1.2 représente une avancée tant attendue à cet égard, " conclut le professeur Maeda. La technologie de séparation de l'eau peut être cruciale pour répondre à nos besoins énergétiques sans nuire davantage à l'environnement, et des études comme celle-ci sont des tremplins essentiels pour atteindre nos objectifs pour un avenir plus vert.