Il y a trois ans, Des scientifiques de l'Université du Michigan ont découvert un dispositif de photosynthèse artificielle composé de silicium et de nitrure de gallium (Si/GaN) qui exploite la lumière du soleil en hydrogène sans carbone pour les piles à combustible avec deux fois plus d'efficacité et de stabilité que certaines technologies précédentes.

Maintenant, des scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du Department of Energy (DOE) - en collaboration avec l'Université du Michigan et le Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) - ont découvert une surprenante, propriété d'auto-amélioration dans Si/GaN qui contribue aux performances hautement efficaces et stables du matériau dans la conversion de la lumière et de l'eau en hydrogène sans carbone. Leurs découvertes, rapporté dans le journal Matériaux naturels , pourrait contribuer à accélérer radicalement la commercialisation des technologies de photosynthèse artificielle et des piles à combustible à hydrogène.

"Notre découverte est un vrai changeur de jeu, " a déclaré l'auteur principal Francesca Toma, membre du personnel scientifique de la division des sciences chimiques du laboratoire national Lawrence Berkeley du ministère de l'Énergie (Berkeley Lab). D'habitude, les matériaux des systèmes à combustibles solaires se dégradent, deviennent moins stables et produisent donc moins efficacement de l'hydrogène, elle a dit. "Mais nous avons découvert une propriété inhabituelle dans Si/GaN qui lui permet d'une manière ou d'une autre de devenir plus efficace et stable. Je n'ai jamais vu une telle stabilité."

Les matériaux de photosynthèse artificielle antérieurs sont soit d'excellents absorbeurs de lumière qui manquent de durabilité; ou ce sont des matériaux durables qui manquent d'efficacité d'absorption de la lumière.

Mais le silicium et le nitrure de gallium sont des matériaux abondants et bon marché qui sont largement utilisés comme semi-conducteurs dans l'électronique de tous les jours tels que les LED (diodes électroluminescentes) et les cellules solaires, a déclaré le co-auteur Zetian Mi, professeur d'ingénierie électrique et informatique à l'Université du Michigan qui a inventé les dispositifs de photosynthèse artificielle Si/GaN il y a une décennie.

Lorsque le dispositif Si/GaN de Mi a atteint un rendement record de 3 % du solaire à l'hydrogène, il se demandait comment de tels matériaux ordinaires pouvaient fonctionner si extraordinairement bien dans un appareil de photosynthèse artificielle exotique. Il s'est donc tourné vers Toma pour obtenir de l'aide.

HydroGEN :adopter une approche scientifique d'équipe pour les combustibles solaires

Mi avait appris de l'expertise de Toma dans les techniques de microscopie avancées pour sonder les propriétés à l'échelle nanométrique (milliardièmes de mètre) des matériaux de photosynthèse artificielle grâce à HydroGEN, un consortium de cinq laboratoires nationaux soutenu par le bureau des technologies de l'hydrogène et des piles à combustible du DOE, et dirigé par le National Renewable Energy Laboratory pour faciliter les collaborations entre les laboratoires nationaux, universitaire, et l'industrie pour le développement de matériaux avancés de séparation de l'eau. « Ces interactions de soutien à l'industrie et au milieu universitaire sur des matériaux avancés de séparation de l'eau avec les capacités des laboratoires nationaux sont précisément la raison pour laquelle HydroGEN a été formé, afin que nous puissions faire avancer la technologie de production d'hydrogène propre, " a déclaré Adam Weber, Responsable du programme du laboratoire des technologies de l'hydrogène et des piles à combustible de Berkeley Lab et co-directeur adjoint d'HydroGEN.

Toma et l'auteur principal Guosong Zeng, chercheur postdoctoral à la division des sciences chimiques du Berkeley Lab, soupçonné que GaN pourrait jouer un rôle dans le potentiel inhabituel de l'appareil pour l'efficacité et la stabilité de la production d'hydrogène.

Découvrir, Zeng a réalisé une expérience de microscopie photoconductrice à force atomique au laboratoire de Toma pour tester comment les photocathodes GaN pouvaient convertir efficacement les photons absorbés en électrons, puis recruter ces électrons libres pour diviser l'eau en hydrogène, avant que le matériau ne commence à se dégrader et à devenir moins stable et efficace.

Ils s'attendaient à voir une forte baisse de l'efficacité et de la stabilité d'absorption des photons du matériau après quelques heures seulement. A leur étonnement, ils ont observé une amélioration de 2-3 ordres de grandeur du photocourant du matériau provenant de minuscules facettes le long de la "paroi latérale" du grain de GaN, dit Zeng. Encore plus déroutant était que le matériau avait augmenté son efficacité au fil du temps, même si la surface globale du matériau n'a pas beaucoup changé, dit Zeng. "En d'autres termes, au lieu d'empirer, le matériel s'est amélioré, " il a dit.

Pour recueillir plus d'indices, les chercheurs ont recruté la microscopie électronique à transmission à balayage (STEM) au Centre national de microscopie électronique de la fonderie moléculaire de Berkeley Lab, et la spectroscopie photonique à rayons X (XPS) dépendant de l'angle.

Ces expériences ont révélé qu'une couche de 1 nanomètre mélangée à du gallium, azote, et de l'oxygène - ou de l'oxynitrure de gallium - s'était formé le long de certaines parois latérales. Une réaction chimique avait eu lieu, l'ajout de "sites catalytiques actifs pour les réactions de production d'hydrogène, " dit Toma.

Les simulations de la théorie fonctionnelle de la densité (DFT) réalisées par les co-auteurs Tadashi Ogitsu et Tuan Anh Pham au LLNL ont confirmé leurs observations. "En calculant le changement de distribution des espèces chimiques à des parties spécifiques de la surface du matériau, nous avons trouvé avec succès une structure de surface qui est en corrélation avec le développement de l'oxynitrure de gallium en tant que site de réaction de dégagement d'hydrogène, " a déclaré Ogitsu. "Nous espérons que nos découvertes et notre approche - une collaboration théorie-expériences étroitement intégrée permise par le consortium HydroGEN - seront utilisées pour améliorer davantage les technologies de production d'hydrogène renouvelable. "

Mi a ajouté :« Nous travaillons sur ce matériau depuis plus de 10 ans, nous savons qu'il est stable et efficace. Mais cette collaboration a permis d'identifier les mécanismes fondamentaux qui expliquent pourquoi il devient plus robuste et efficace au lieu de se dégrader. Les résultats de ce travail nous aidera à construire des appareils de photosynthèse artificielle plus efficaces à moindre coût. »

Regarder vers l'avant, Toma a déclaré qu'elle et son équipe aimeraient tester la photocathode Si/GaN dans une cellule photoélectrochimique à séparation d'eau, et que Zeng expérimentera avec des matériaux similaires pour mieux comprendre comment les nitrures contribuent à la stabilité des dispositifs de photosynthèse artificielle, ce qu'ils n'auraient jamais pensé possible.

"C'était totalement surprenant, " a déclaré Zeng. " Cela n'avait pas de sens, mais les calculs DFT de Pham nous ont donné l'explication dont nous avions besoin pour valider nos observations. Nos découvertes nous aideront à concevoir des appareils de photosynthèse artificielle encore meilleurs."

« Il s'agissait d'un réseau de collaboration sans précédent entre National Labs et une université de recherche, " a déclaré Toma. " Le consortium HydroGEN nous a réunis. Notre travail montre comment l'approche scientifique de l'équipe des laboratoires nationaux peut aider à résoudre de gros problèmes qui affectent le monde entier. "