La clé pour récupérer efficacement l'énergie de la lumière solaire pourrait être de trouver les bonnes combinaisons de matériaux de capture de la lumière. Des chercheurs de la KAUST ont découvert qu'une forme d'oxyde de fer constitue un excellent co-catalyseur pour un matériau photocatalytique prometteur appelé nitrure de gallium.

Trouver des photocatalyseurs capables d'utiliser efficacement la lumière du soleil pour produire de l'hydrogène propre à partir de l'eau est l'une des applications les plus recherchées de l'énergie solaire. "Les nitrures peuvent absorber la majeure partie de l'énergie du spectre solaire, mais le nitrure de gallium est un photocatalyseur de division de l'eau défectueux, " dit Martin Velazquez-Rizo, un doctorat étudiant dans les labos de Kazuhiro Ohkawa, qui a dirigé les recherches en cours.

"Lorsque le GaN est utilisé comme photocatalyseur, le matériau est rapidement endommagé par la photocorrosion, ce qui entrave sa mise en œuvre dans des applications industrielles, " dit Velazquez-Rizo. Les dommages de photocorrosion étaient visibles après seulement deux heures de production d'hydrogène photoélectrochimique, l'équipe a montré.

Pour tester la possibilité d'allonger la durée de vie du photocatalyseur au nitrure de gallium, les chercheurs ont essayé de le combiner avec un oxyde de fer. "Fe 2 O 3 est un matériau bien connu dans le domaine de la catalyse en raison de ses propriétés optiques et électroniques et pour sa capacité à fonctionner dans des environnements sévères, " dit Velazquez-Rizo. " Nous avons anticipé cela, dans les bonnes conditions, Fe 2 O 3 pourrait supprimer la photocorrosion des photocatalyseurs GaN sans diminuer leurs capacités de photoabsorption."

La stratégie s'est avérée efficace. Lorsque l'équipe a décoré la surface de GaN avec un revêtement de 1,3 pour cent de Fe 2 O 3 particules, les premiers signes de photocorrosion ont été plus de 20 fois plus lents à apparaître. En outre, le taux de production d'hydrogène du Fe 2 O 3 Le photocatalyseur /GaN était cinq fois plus élevé que le GaN seul. Les résultats, dit Vélasquez-Rizo, « rapprochez les photocatalyseurs GaN de leur mise en œuvre dans des applications réelles ».

Une partie de la raison Fe 2 O 3 et GaN fonctionnent bien ensemble est probablement en raison de la manière inhabituelle dont le Fe 2 O 3 les particules sont disposées sur la surface de GaN. Les atomes des particules d'oxyde de fer s'alignent parfaitement avec les atomes du réseau GaN ci-dessous, un effet connu sous le nom de croissance épitaxiale. Cet effet est rarement observé lors de la combinaison de matériaux aux propriétés cristallographiques différentes, comme Fe 2 O 3 et GaN.

"Les travaux de Martin ont montré que ces différents systèmes matériels peuvent avoir un alignement cristallin cohérent, sans défauts cristallins, " Ohkawa dit. " Les dispositifs à photoélectrodes d'aujourd'hui sont constitués de semi-conducteurs de nitrure ou d'oxydes, mais son résultat indique qu'en combinant les deux, il est possible de fabriquer de nouveaux dispositifs. » L'équipe continue de développer de nouveaux matériaux composites à base de GaN pour améliorer l'efficacité de conversion d'énergie des photocatalyseurs.