Dans la quête pour réaliser la photosynthèse artificielle pour convertir la lumière du soleil, l'eau, et le dioxyde de carbone en carburant, tout comme les plantes, les chercheurs doivent non seulement identifier les matériaux pour effectuer efficacement la séparation photoélectrochimique de l'eau, mais aussi de comprendre pourquoi un certain matériel peut ou non fonctionner. Aujourd'hui, les scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) ont mis au point une technique qui utilise l'imagerie à l'échelle nanométrique pour comprendre comment les les propriétés à l'échelle nanométrique peuvent affecter les performances macroscopiques d'un matériau.

Leur étude, « Imagerie à l'échelle nanométrique du transport de porteurs de charge dans les anodes à fractionnement d'eau », vient de paraître dans Communication Nature . Les chercheurs principaux étaient Johanna Eichhorn et Francesca Toma de la division des sciences chimiques du Berkeley Lab.

"Cette technique corrèle la morphologie du matériau à sa fonctionnalité, et donne des indications sur le mécanisme de transport de charge, ou comment les charges se déplacent à l'intérieur du matériau, à l'échelle nanométrique, " dit Toma, qui est également chercheur au Centre commun de photosynthèse artificielle, un pôle d'innovation du Département de l'énergie.

La photosynthèse artificielle cherche à produire un carburant dense en énergie en utilisant uniquement la lumière du soleil, l'eau, et le dioxyde de carbone comme intrants. L'avantage d'une telle approche est qu'elle n'entre pas en concurrence avec les stocks alimentaires et ne produirait pas ou peu d'émissions de gaz à effet de serre. Un système de fractionnement photoélectrochimique de l'eau nécessite des semi-conducteurs spécialisés qui utilisent la lumière du soleil pour fractionner les molécules d'eau en hydrogène et oxygène.

Le vanadate de bismuth a été identifié comme un matériau prometteur pour une photoanode, qui fournit des charges pour oxyder l'eau dans une cellule photoélectrochimique. "Ce matériau est un exemple de cas dans lequel l'efficacité devrait être théoriquement bonne, mais dans les tests expérimentaux, vous observez en fait une efficacité très faible, " a déclaré Eichhorn. "Les raisons de cela ne sont pas complètement comprises."

Les chercheurs ont utilisé la microscopie photoconductrice à force atomique pour cartographier le courant en chaque point de l'échantillon avec une haute résolution spatiale. Cette technique a déjà été utilisée pour analyser le transport de charge local et les propriétés optoélectroniques des matériaux de cellules solaires, mais n'est pas connue pour avoir été utilisée pour comprendre les limitations du transport de porteurs de charge à l'échelle nanométrique dans les matériaux photoélectrochimiques.

Eichhorn et Toma ont travaillé avec des scientifiques de la Molecular Foundry, un centre de recherche scientifique à l'échelle nanométrique au Berkeley Lab, sur ces mesures via le programme utilisateur de la Fonderie. Ils ont constaté qu'il y avait des différences de performances liées à la morphologie à l'échelle nanométrique du matériau.

"Nous avons découvert que la façon dont les charges sont utilisées n'est pas homogène sur l'ensemble de l'échantillon, mais plutôt, il y a de l'hétérogénéité, " a déclaré Eichhorn. "Ces différences de performances peuvent expliquer ses performances macroscopiques - la sortie globale de l'échantillon - lorsque nous effectuons la division de l'eau."

Pour comprendre cette caractérisation, Toma donne l'exemple d'un panneau solaire. « Disons que le panneau a une efficacité de 22 %, " dit-elle. " Mais pouvez-vous dire à l'échelle nanométrique, en chaque point du panneau, qu'il vous donnera une efficacité de 22 % ? Cette technique permet de dire, Oui ou non, spécifiquement pour les matériaux photoélectrochimiques. Si la réponse est non, cela signifie qu'il y a moins de points actifs sur votre matériel. Dans le meilleur des cas, cela diminue simplement votre efficacité totale, mais s'il existe des processus plus complexes, votre efficacité peut être considérablement diminuée."

L'amélioration de la compréhension du fonctionnement du vanadate de bismuth permettra également aux chercheurs de synthétiser de nouveaux matériaux susceptibles de provoquer la même réaction plus efficacement. Cette étude s'appuie sur des recherches antérieures de Toma et d'autres, dans lequel elle a pu analyser et prédire le mécanisme qui définit la stabilité (photo)chimique d'un matériau photoélectrochimique.

Toma a déclaré que ces résultats rapprochent beaucoup les scientifiques de la réalisation d'une photosynthèse artificielle efficace. « Maintenant, nous savons mesurer le photocourant local dans ces matériaux, qui ont une très faible conductivité, " dit-elle. " La prochaine étape est de mettre tout cela dans un électrolyte liquide et de faire exactement la même chose. Nous avons les outils. Maintenant, nous savons comment interpréter les résultats, et comment les analyser, ce qui est un premier pas important pour aller de l'avant."