Illustration d'un système modèle PEC avec des nanoparticules d'or de 20 nanomètres attachées au dioxyde de titane. Crédit :Berkeley Lab
Dans la recherche d'alternatives énergétiques propres aux combustibles fossiles, une solution prometteuse repose sur les cellules photoélectrochimiques (PEC) :la séparation de l'eau, dispositifs de photosynthèse artificielle qui transforment la lumière du soleil et l'eau en combustibles solaires tels que l'hydrogène.
En seulement une décennie, les chercheurs dans le domaine ont réalisé de grands progrès dans le développement de systèmes PEC constitués de nanoparticules d'or absorbant la lumière - de minuscules sphères d'à peine des milliardièmes de mètre de diamètre - attachées à un film semi-conducteur de nanoparticules de dioxyde de titane (TiO
Maintenant, une équipe de scientifiques dirigée par le Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du ministère de l'Énergie a obtenu de nouvelles informations importantes sur le rôle des électrons dans la récolte de la lumière dans l'or/TiO
"En quantifiant le travail des électrons à l'échelle nanométrique et en temps réel, notre étude peut aider à expliquer pourquoi certains dispositifs PEC à séparation d'eau n'ont pas fonctionné aussi bien qu'espéré, " a déclaré l'auteur principal Oliver Gessner, chercheur principal à la division des sciences chimiques du Berkeley Lab.
Et en traçant le mouvement des électrons dans ces systèmes complexes avec une spécificité chimique et une résolution temporelle picoseconde (millièmes de seconde), les membres de l'équipe de recherche pensent avoir développé un nouvel outil capable de calculer plus précisément l'efficacité de conversion des combustibles solaires des futurs appareils.
Paires électron-trou :un appariement productif se révèle
Les chercheurs qui étudient les systèmes PEC à séparation d'eau se sont intéressés à l'absorption lumineuse supérieure des nanoparticules d'or en raison de leur « résonance plasmonique », la capacité des électrons des nanoparticules d'or à se déplacer en synchronisation avec le champ électrique de la lumière solaire.
"L'astuce consiste à transférer des électrons entre deux types de matériaux différents, des nanoparticules d'or absorbant la lumière au semi-conducteur de dioxyde de titane, " expliqua Gessner.
Lorsque les électrons sont transférés des nanoparticules d'or dans le semi-conducteur de dioxyde de titane, ils laissent derrière eux des "trous". La combinaison d'un électron injecté dans du dioxyde de titane et du trou laissé par l'électron est appelée une paire électron-trou. "Et nous savons que les paires électron-trou sont des ingrédients essentiels pour permettre la réaction chimique pour la production de combustibles solaires, " il ajouta.
Mais si vous voulez savoir à quel point un appareil PEC plasmonique fonctionne, vous devez apprendre combien d'électrons sont passés des nanoparticules d'or au semi-conducteur, combien de paires électron-trou sont formées, et combien de temps ces paires électron-trou durent avant que l'électron ne retourne dans un trou dans la nanoparticule d'or. "Plus les électrons sont séparés des trous dans les nanoparticules d'or, c'est-à-dire plus la durée de vie des paires électron-trou est longue - plus vous avez de temps pour que la réaction chimique pour la production de carburant ait lieu, " expliqua Gessner.
Pour répondre à ces questions, Gessner et son équipe ont utilisé une technique appelée "spectroscopie photoélectronique à rayons X résolue en temps picoseconde (TRXPS)" à la source de lumière avancée (ALS) de Berkeley Lab pour compter le nombre d'électrons transférés entre les nanoparticules d'or et le film de dioxyde de titane, et de mesurer combien de temps les électrons restent dans l'autre matériau. Gessner a déclaré que son équipe est la première à appliquer la technique des rayons X pour étudier ce transfert d'électrons dans des systèmes plasmoniques tels que les nanoparticules et le film. "Ces informations sont cruciales pour développer des combinaisons de matériaux plus efficaces."
Un compte à rebours électronique avec TRXPS
En utilisant TRXPS à l'ALS, l'équipe a projeté des impulsions de lumière laser pour exciter des électrons dans des nanoparticules d'or de 20 nanomètres (20 milliardièmes de mètre) attachées à un film semi-conducteur en dioxyde de titane nanoporeux (TiO
L'équipe a ensuite utilisé de courtes impulsions de rayons X pour mesurer combien de ces électrons ont "voyagé" de l'AuNP au TiO.
"Quand vous voulez prendre une photo de quelqu'un qui bouge très vite, vous le faites avec un bref éclair de lumière - pour notre étude, nous avons utilisé de courts flashs de rayons X, " a déclaré Gessner. " Et notre appareil photo est le spectromètre à photoélectrons qui prend de courts " instantanés " à une résolution temporelle de 70 picosecondes. "
La mesure TRXPS a révélé quelques surprises :ils ont observé le transfert de deux électrons de l'or au dioxyde de titane, un nombre bien inférieur à ce qu'ils avaient prévu sur la base des études précédentes. Ils ont également appris que seulement un sur 1, 000 photons (particules de lumière) ont généré une paire électron-trou, et qu'il ne faut qu'un milliardième de seconde à un électron pour se recombiner avec un trou dans la nanoparticule d'or.
Tout à fait, ces découvertes et méthodes décrites dans la présente étude pourraient aider les chercheurs à mieux estimer le temps optimal nécessaire pour déclencher la production de combustibles solaires à l'échelle nanométrique.
"Bien que la spectroscopie photoélectronique aux rayons X soit une technique couramment utilisée dans les universités et les instituts de recherche du monde entier, la façon dont nous l'avons développé pour des études résolues dans le temps et l'avons utilisé ici est tout à fait unique et ne peut être fait qu'à la source de lumière avancée de Berkeley Lab, " a déclaré Monika Blum, co-auteur de l'étude et chercheur à l'ALS.
"L'utilisation unique de TRXPS par Monika et Oliver a permis d'identifier combien d'électrons sur l'or sont activés pour devenir des porteurs de charge - et de localiser et de suivre leur mouvement dans toute la région de surface d'un nanomatériau - avec une spécificité chimique et une résolution temporelle de la picoseconde sans précédent, " a déclaré la co-auteur Francesca Toma, membre du personnel scientifique du Centre commun pour la photosynthèse artificielle (JCAP) de la division des sciences chimiques du Berkeley Lab. "Ces découvertes seront essentielles pour mieux comprendre comment les matériaux plasmoniques peuvent faire progresser les combustibles solaires."
L'équipe prévoit ensuite de pousser leurs mesures à des échelles de temps encore plus rapides avec un laser à électrons libres, et pour capturer des instantanés encore plus fins à l'échelle nanométrique des électrons à l'œuvre dans un dispositif PEC lorsque de l'eau est ajoutée au mélange.
