Avec la pression croissante sur les émissions mondiales de carbone et le changement climatique, il est urgent de développer des alternatives énergétiques plus propres au lieu des combustibles fossiles. L'hydrogène est un carburant propre à zéro émission de carbone car il ne produit que de l'eau inoffensive lors de sa combustion. Cependant, une technologie de production d'« hydrogène vert » doit encore être développée pour des applications pratiques, qui utilise sur la division de l'eau en utilisant une source d'énergie renouvelable. L'hydrogène solaire est une technologie idéale pour produire de l'hydrogène en utilisant la lumière du soleil, mais malgré des recherches intensives dans le monde entier au cours des dernières décennies, les progrès ont été lents.

Le professeur Jae Sung Lee et son équipe de recherche à l'École d'ingénierie énergétique et chimique de l'UNIST, en collaboration avec des scientifiques de l'Institut de physique chimique de Dalian (DICP), La Chine a récemment signalé une découverte importante qui pourrait rapprocher la production solaire d'hydrogène de la réalité.

L'électrolyse de l'eau en hydrogène et oxygène peut être réalisée mais nécessite de grandes quantités d'électricité qui est en grande partie produite en brûlant des combustibles fossiles. Le fractionnement photoélectrochimique (PEC) de l'eau offre une voie plus respectueuse de l'environnement et plus durable pour la production d'hydrogène. L'hématite est considérée comme un matériau de photoanode candidat idéal pour l'application à grande échelle de la division de l'eau PEC en raison de son abondance naturelle, robustesse chimique, et une bande interdite idéale de 2,1 eV qui permet un rendement de conversion solaire en hydrogène élevé de 16,8 % (plus de 10 % est une exigence pour la commercialisation). Réaliser les hautes performances de l'hématite correspondant à son potentiel prometteur reste un grand défi en raison de divers facteurs limitants dans ses propriétés optoélectroniques. En raison de ces limites, les performances signalées des photoanodes en hématite restent inférieures à la moitié de leurs performances potentielles.

L'équipe de recherche a conçu et construit avec succès une nouvelle photoanode nanostructurée à base d'hématite, qui est une formation de noyau-enveloppe de nanotiges d'homojonction d'hématite dopé au tantale à gradient par combinaison d'une seconde croissance hydrothermale et d'un recuit hybride micro-ondes (HMA). Le gradient de nanotiges d'homojonction dopées au Ta entraîne une conductivité élevée à l'intérieur (dopage Ta5+ lourd) tandis que les états de surface à l'extérieur ont été passivés par l'élimination des défauts de surface causés par un dopage Ta5+ lourd. Plus important encore, cela construit un champ électrique supplémentaire pour supprimer la recombinaison de charge, conduisant à une amélioration significative du photocourant et à une forte diminution de la tension d'allumage (voir Figure 1). La plupart des stratégies de modification connues améliorent la génération de photocourant ou réduisent la tension d'activation du courant. L'unicité de notre stratégie nouvellement développée est d'améliorer les deux chiffres du mérite simultanément. Ce travail montre bien comment les multiples stratégies de dopage élevé, l'homojonction et le chargement de cocatalyseur améliorent les performances de la photoanode. Par conséquent, la photoanode enfin optimisée améliore la densité du photocourant de 66,8 % et décale sa tension d'allumage d'environ 270 mV par rapport à la photoanode non modifiée.

Actuellement, la majeure partie de l'hydrogène est produite par reformage du gaz naturel, qui n'est ni propre ni durable. Avec d'autres développements, on peut produire de l'hydrogène propre et vert à partir de la séparation solaire de l'eau, et la découverte actuelle pourrait être une étape importante dans de tels développements.

Les résultats de cette recherche ont été publiés dans Communication Nature .