Mise en évidence d’une étude sur le mécanisme de la division photoélectrochimique de l’eau sur une photoanode en Si passivée par une couche de TiOx avec différentes densités de défauts dans les laboratoires du Dr. Ansoon Kim à l’Institut coréen de recherche sur les normes et les sciences (KRISS). Crédit : Korea Research Institute of Standards and Science (KRISS)
Le KRISS a présenté le mécanisme de transport des porteurs d’une photoanode dotée d’un film protecteur afin d’améliorer la production d’hydrogène vert. Cette avancée peut contribuer à la production d’hydrogène vert sans carbone et à la photosynthèse artificielle.
L’hydrogène a récemment été présenté comme une source d’énergie propre et efficace. Mais est-il vraiment respectueux de l’environnement ? Actuellement, le type d’hydrogène le plus répandu est l' »hydrogène gris », qui est dérivé des combustibles fossiles. Compte tenu des émissions de gaz à effet de serre générées lors de sa production, l’hydrogène gris n’est pas vraiment respectueux de l’environnement. L’ère de l' »hydrogène vert », qui ne produit aucune émission de carbone, se profile à l’horizon.
L’Institut coréen de recherche sur les normes et les sciences (KRISS), sous la direction du président Hyun-min Park, a présenté une solution potentielle pour la photoanode durable et efficace avec film protecteur, qui joue un rôle essentiel dans la production d’hydrogène par séparation de l’eau à l’aide de l’énergie solaire. Cette solution devrait permettre d’entrer dans l’ère de l' »hydrogène vert » respectueux de l’environnement.
L’hydrogène vert est produit sans émissions de carbone en utilisant des sources d’énergie renouvelables. Une méthode représentative pour produire de l’hydrogène vert est le fractionnement photoélectrochimique de l’eau à l’aide d’une photoanode qui est directement immergée dans des électrolytes et qui peut absorber la lumière du soleil. Par conséquent, la photoanode sépare directement l’eau en contact en hydrogène et en oxygène en utilisant l’énergie solaire absorbée. Cependant, comme la photoanode est en contact direct avec un électrolyte, elle est sujette à la corrosion superficielle. Des revêtements protecteurs ont été déposés sur la surface pour empêcher la corrosion superficielle.
Généralement, des matériaux oxydés tels que le dioxyde de titane (TiO2) sont utilisés comme films protecteurs pour les photo-anodes. Bien que les matériaux d’oxyde soient de mauvais conducteurs d’électricité, leur conductivité peut être modulée lorsque des défauts d’oxygène, servant de canal pour le transport des charges, sont formés. La clé pour prolonger la durée de vie des photo-anodes est de développer un film protecteur suffisamment durable pour empêcher la corrosion des électrodes et capable de maintenir une conductivité électrique optimale.
Pour une séparation efficace de l’eau par PEC, il est crucial d’équilibrer deux facteurs en contrôlant systématiquement la densité des défauts dans la couche de passivation TiOx de la photo-anode n-Si, qui sont (1) la densité d’état accessible pour le transport des porteurs dans l’espace interdit et (2) l’énergétique favorable de l’interface. Crédit : Institut coréen de recherche sur les normes et les sciences (KRISS)
Le KRISS a mis au point la première technologie au monde permettant de moduler systématiquement les niveaux de défauts d’oxygène dans un film protecteur de dioxyde de titane (TiO2) d’une photo-anode afin de maximiser l’efficacité de la production d’hydrogène. Afin d’explorer le rôle des défauts d’oxygène dans le mécanisme de transfert de charge, l’équipe de recherche a déterminé les niveaux optimaux de défauts qui maximisent la durée de vie de la photoanode et la production d’hydrogène en utilisant la spectroscopie photoélectronique à rayons X et l’analyse électrochimique.
Contrairement aux études antérieures qui s’appuyaient sur des défauts d’oxygène formés spontanément dans le film protecteur au cours du processus de fabrication, cette recherche propose une méthode de production directe qui contrôle les niveaux de défauts d’oxygène, permettant ainsi une production de masse. D’après les résultats expérimentaux, la photoanode sans film protecteur a montré une dégradation rapide de sa durée de vie en l’espace d’une heure, ce qui a fait chuter l’efficacité de la production d’hydrogène en dessous de 20 % par rapport à l’état initial. En revanche, la photoanode dotée d’un film protecteur optimisé a conservé une efficacité de production d’hydrogène de plus de 85 %, même après 100 heures.
Cette réalisation pourrait améliorer l’efficacité et la durée de vie des photo-anodes et s’appliquer à d’autres technologies propres qui reposent sur les photo-anodes. La technologie de photosynthèse artificielle qui capture le dioxyde de carbone et le convertit en une source d’énergie chimique en utilisant l’énergie solaire en est un exemple.
Ansoon Kim, chercheur principal à l’Institut interdisciplinaire de mesure des matériaux KRISS, a déclaré : « Cette approche peut améliorer la durée de vie des photo-anodes d’environ 10 fois et contribuer de manière significative à la commercialisation de l’hydrogène vert. »
Le KRISS prévoit de poursuivre ses recherches afin de découvrir les niveaux optimaux de défauts d’oxygène et les principes sous-jacents qui maximisent la durée de vie des photo-anodes.
Référence : « Role of defect density in the TiOx protective layer of the n-Si photoanode for efficient photoelectrochemical water splitting » par Songwoung Hong, Woo Lee, Yun Jeong Hwang, Seungwoo Song, Seungwook Choi, Hyun Rhu, Jeong Hyun Shimbe et Ansoon Kim, 13 janvier 2023, Journal of Materials Chemistry A.
DOI : 10.1039/D2TA07082K
L’étude a été financée par la Fondation nationale de la recherche de Corée.