Dans le contexte actuel concernant le CO 2 niveaux et enjeux de durabilité, la recherche d'alternatives efficaces et propres pour la production d'énergie se poursuit. Parmi les carburants écologiques les plus attractifs connus, l'hydrogène se distingue et il y a beaucoup de potentiel pour son utilisation. Mais les chercheurs n'ont pas encore mis au point une méthode rentable et évolutive pour produire de grandes quantités d'hydrogène, et une économie de l'hydrogène n'est toujours pas dans les cartes.

Par exemple, l'hydrogène peut être produit à partir de combustibles fossiles, mais le processus génère du CO 2 et est, donc, pas durable. Une approche respectueuse de l'environnement pour produire de l'hydrogène est la division de l'eau :la fragmentation des molécules d'eau (H 2 O) pour obtenir de l'hydrogène pur (H 2 ). L'énergie nécessaire à ce processus peut être récupérée directement à partir du rayonnement solaire à l'aide de cellules photoélectrochimiques. Ces cellules sont composées de deux électrodes et d'un matériau appelé électrolyte; les caractéristiques des trois sont adaptées pour déclencher et favoriser les réactions de fractionnement de l'eau nécessaires.

Une caractéristique importante qui détermine l'efficacité de la réaction de séparation de l'eau est la "bande interdite" du matériau de la photoélectrode. La bande interdite est en gros une mesure de l'énergie que les électrodes doivent recevoir pour que la charge puisse les traverser et que la réaction puisse se produire. Des matériaux de photoélectrode avec des bandes interdites modérées sont souhaitables car moins d'énergie devrait être capturée à partir du rayonnement solaire pour provoquer une circulation de charge. À la lumière de cela, les électrodes en carbure de silicium (SiC) ont été explorées comme une option prometteuse.

Maintenant, scientifiques de l'Institut de technologie de Nagoya, Japon, ont contribué à une meilleure compréhension de ces matériaux. « Le SiC est l'un des matériaux de photoélectrodes les plus prometteurs en raison de sa durabilité. Parmi ses différents types, Le 3C-SiC peut absorber une partie de la lumière visible en raison de sa bande interdite modérée et est également capable de générer de l'hydrogène, " explique le Dr Kato, le scientifique principal de cette étude publiée dans Applied Physics Express. Néanmoins, les performances observées des photoélectrodes 3C-SiC existantes sont toujours inférieures à celles prédites par les calculs théoriques.

Pour combler cet écart et améliorer les performances, les scientifiques ont appliqué une approche précédemment rapportée :l'efficacité des photoélectrodes peut être améliorée en leur donnant une structure texturée. Une surface rugueuse permet à la lumière incidente de traverser le matériau plusieurs fois, augmenter la quantité de lumière solaire absorbée.

Dans cette étude, pour rendre les surfaces des photoélectrodes 3C-SiC texturées, Le Dr Kato et son collègue ont utilisé une technique appelée « gravure électrochimique ». Ils ont ensuite comparé les propriétés optiques et électriques et les performances de plusieurs photoélectrodes gravées dans différentes conditions. Ils ont également observé toutes les surfaces grâce à des techniques de microscopie avancées.

Ils ont constaté que la gravure s'était produite préférentiellement sur les failles et dislocations existantes à la surface du matériau. Sa rugosité de surface a été fortement augmentée (comme souhaité), sans formation de "défauts ponctuels" - anomalies dans la structure de base de l'électrode.

Ses performances, mesurées par son efficacité de conversion photon-courant sous une tension appliquée (également appelée "ABPE" ou "efficacité de conversion photon-courant appliquée à polarisation"), ont montré une amélioration. Dans des conditions optimales de gravure et de dépôt de cocatalyseur de platine, la performance s'est avérée être de 2%. "Cette valeur ABPE est la plus élevée parmi les efficacités signalées pour les photoélectrodes SiC jusqu'à présent. Ainsi, nous pensons que notre photoélectrode 3C-SiC avec une texture de surface formée par gravure électrochimique est prometteuse pour les applications de conversion d'énergie solaire en hydrogène, " conclut le Dr Kato.

Les scientifiques disent que leur objectif ultime est de produire un jour des photocathodes SiC avec des rendements solaire-hydrogène comparables à ceux d'autres technologies de conversion d'énergie. La réalisation de cette vision pourrait être une étape clé vers une économie de l'hydrogène plus respectueuse de l'environnement.