Dans la lutte contre le changement climatique, les scientifiques ont cherché des moyens de remplacer les combustibles fossiles par des alternatives sans carbone telles que l'hydrogène.

Un dispositif connu sous le nom de cellule chimique photoélectrique (PEC) a le potentiel de produire de l'hydrogène par photosynthèse artificielle, une technologie émergente d'énergie renouvelable qui utilise l'énergie de la lumière du soleil pour entraîner des réactions chimiques telles que la division de l'eau en hydrogène et en oxygène.

La clé du succès d'un PEC réside non seulement dans la façon dont sa photoélectrode réagit avec la lumière pour produire de l'hydrogène, mais aussi de l'oxygène. Peu de matériaux peuvent bien faire cela, et selon la théorie, un matériau inorganique appelé vanadate de bismuth (BiVO 4 ) est un bon candidat.

Pourtant, cette technologie est encore jeune, et les chercheurs dans le domaine ont lutté pour faire un BiVO 4 photoélectrode à la hauteur de son potentiel dans un dispositif PEC. Maintenant, comme indiqué dans le journal Petit , une équipe de recherche dirigée par des scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du Department of Energy et du Joint Center for Artificial Photosynthèse (JCAP), un pôle d'innovation énergétique du DOE, ont obtenu de nouvelles informations importantes sur ce qui pourrait se passer à l'échelle nanométrique (milliardièmes de mètre) pour maintenir BiVO 4 arrière.

« Quand vous fabriquez un matériau, tel qu'un matériau inorganique comme le vanadate de bismuth, vous pourriez supposer, rien qu'en le regardant à l'œil nu, que le matériau est homogène et uniforme partout, " a déclaré l'auteur principal Francesca Toma, un scientifique du JCAP dans la division des sciences chimiques du Berkeley Lab. "Mais quand vous pouvez voir les détails d'un matériau à l'échelle nanométrique, du coup, ce que vous pensiez être homogène est en réalité hétérogène, avec un ensemble de propriétés et de compositions chimiques différentes. Et si vous souhaitez améliorer l'efficacité d'un matériau de photoélectrode, vous devez en savoir plus sur ce qui se passe à l'échelle nanométrique."

Les rayons X et les simulations mettent au point une image plus claire

Dans une étude précédente soutenue par le programme de recherche et développement dirigé par un laboratoire, Toma et l'auteur principal Johanna Eichhorn ont développé une technique spéciale utilisant un microscope à force atomique au laboratoire JCAP de Berkeley Lab pour capturer des images de vanadate de bismuth en couche mince à l'échelle nanométrique afin de comprendre comment les propriétés d'un matériau peuvent affecter ses performances dans un dispositif de photosynthèse artificielle. (Eichhorn, qui est actuellement à l'Institut Walter Schottky de l'Université technique de Munich en Allemagne était chercheur à la division des sciences chimiques du Berkeley Lab au moment de l'étude.)

L'étude actuelle s'appuie sur ce travail de pionnier en utilisant un microscope à rayons X à transmission à balayage (STXM) à la source de lumière avancée (ALS) de Berkeley Lab (als.lbl.gov/), une installation d'utilisation du synchrotron, pour cartographier les changements dans un matériau semi-conducteur en couche mince à base de vanadate de molybdène et de bismuth (Mo-BiVO 4 ).

Les chercheurs ont utilisé le vanadate de bismuth comme exemple de cas de photoélectrode, car le matériau peut absorber la lumière dans le domaine visible du spectre solaire, et lorsqu'il est combiné avec un catalyseur, ses propriétés physiques lui permettent de fabriquer de l'oxygène dans la réaction de séparation de l'eau. Le vanadate de bismuth est l'un des rares matériaux à pouvoir le faire, et dans ce cas, l'ajout d'une petite quantité de molybdène à BiVO 4 améliore en quelque sorte ses performances, Toma a expliqué.

Lorsque l'eau est divisée en H2 et O2, des liaisons hydrogène-hydrogène et oxygène-oxygène doivent se former. Mais si une étape du fractionnement de l'eau n'est pas synchronisée, des réactions indésirables se produiront, ce qui pourrait entraîner de la corrosion. « Et si vous souhaitez transformer un matériau en un dispositif commercial de séparation d'eau, personne ne veut quelque chose qui se dégrade. Nous voulions donc développer une technique qui cartographie les régions à l'échelle nanométrique qui sont les meilleures pour produire de l'oxygène, " expliqua Toma.

En collaboration avec le scientifique de l'ALS, David Shapiro, Toma et son équipe ont utilisé STXM pour prendre des mesures nanométriques à haute résolution de grains dans un film mince de Mo-BiVO 4 à mesure que le matériau se dégrade en réponse à la réaction de séparation de l'eau déclenchée par la lumière et l'électrolyte.

"L'hétérogénéité chimique à l'échelle nanométrique dans un matériau peut souvent conduire à des propriétés intéressantes et utiles, et peu de techniques de microscopie peuvent sonder la structure moléculaire d'un matériau à cette échelle, " a déclaré Shapiro. " Les instruments STXM de la source lumineuse avancée sont des sondes très sensibles qui peuvent quantifier de manière non destructive cette hétérogénéité à haute résolution spatiale et peuvent donc fournir une compréhension plus approfondie de ces propriétés. "

David Prendergast, directeur de division par intérim de la Fonderie Moléculaire, et Sebastian Reyes-Lillo, un ancien chercheur postdoctoral à la Fonderie, aidé l'équipe à comprendre comment Mo-BiVO 4 réagit à la lumière en développant des outils informatiques pour analyser l'« empreinte digitale » spectrale de chaque molécule. Reyes-Lillo est actuellement professeur à l'Université Andres Bello au Chili et utilisateur de Molecular Foundry. La fonderie moléculaire est une installation d'utilisateurs nationale du centre de recherche scientifique à l'échelle nanométrique.

"La technique de Prendergast est vraiment puissante, " dit Toma. " Souvent, lorsque vous avez des matériaux hétérogènes complexes constitués de différents atomes, les données expérimentales que vous obtenez ne sont pas faciles à comprendre. Cette approche vous indique comment interpréter ces données. Et si nous avons une meilleure compréhension des données, nous pouvons créer de meilleures stratégies pour fabriquer Mo-BiVO 4 photoélectrodes moins vulnérables à la corrosion lors de la séparation de l'eau."

Reyes-Lillo a ajouté que l'utilisation de cette technique par Toma et le travail au JCAP ont permis une meilleure compréhension de Mo-BiVO 4 cela ne serait pas possible autrement. "L'approche révèle des empreintes chimiques spécifiques à un élément de la structure électronique locale d'un matériau, ce qui le rend particulièrement adapté à l'étude des phénomènes à l'échelle nanométrique. Notre étude représente une étape vers l'amélioration des performances des semi-conducteurs BiVO 4 -matériaux à base pour les technologies de combustibles solaires, " il a dit.

Prochaines étapes

Les chercheurs prévoient ensuite de développer davantage la technique en prenant des images STXM pendant que le matériau fonctionne afin qu'ils puissent comprendre comment le matériau change chimiquement en tant que photoélectrode dans un système PEC modèle.

« Je suis très fier de ce travail. Nous devons trouver des solutions alternatives aux énergies fossiles, et nous avons besoin d'alternatives renouvelables. Même si cette technologie n'est pas prête pour le marché de demain, notre technique, ainsi que les puissants instruments mis à la disposition des utilisateurs de la source lumineuse avancée et de la fonderie moléculaire, ouvriront de nouvelles voies aux technologies des énergies renouvelables pour faire la différence. »