Un modèle de dispositif pour les combustibles solaires appelé cellule photoélectrochimique. Une équipe de recherche dirigée par Francesca Toma, membre du personnel scientifique de la Liquid Sunlight Alliance de la division des sciences chimiques du Berkeley Lab, a conçu ce modèle. Crédit : Thor Swift/Berkeley Lab
Une découverte améliore considérablement la stabilité de la production d’éthylène et d’hydrogène par photosynthèse artificielle.
Une équipe de recherche a mis au point un nouveau composant de dispositif de photosynthèse artificielle doté d’une stabilité et d’une longévité remarquables car il convertit sélectivement la lumière du soleil et le dioxyde de carbone en deux sources prometteuses de carburants renouvelables – l’éthylène et l’hydrogène.
Les résultats des chercheurs, qu’ils ont récemment rapportés dans le journal Nature Energyrévèlent comment le dispositif se dégrade à l’usage, puis montrent comment l’atténuer. Les auteurs apportent également un nouvel éclairage sur la manière dont les électrons et les porteurs de charge appelés “trous” contribuent à la dégradation de la photosynthèse artificielle.
“En comprenant comment les matériaux et les dispositifs se transforment en cours d’utilisation, nous pouvons concevoir des approches plus durables et ainsi réduire les déchets”, a déclaré l’auteur principal, Francesca Toma, une scientifique de l’Alliance pour la lumière solaire liquide (LiSA) de la division des sciences chimiques du Berkeley Lab.
Pour l’étude actuelle, Toma et son équipe ont conçu un dispositif modèle de combustibles solaires connu sous le nom de cellule photoélectrochimique (PEC) faite d’oxyde de cuivre(I) ou d’oxyde cuivreux (Cu2O), un matériau prometteur pour la photosynthèse artificielle.
L’oxyde cuivreux a longtemps laissé les scientifiques perplexes, car la force de ce matériau – sa grande réactivité à la lumière – est aussi sa faiblesse, car la lumière provoque la décomposition du matériau en quelques minutes d’exposition. Mais malgré son instabilité, l’oxyde cuivreux est l’un des meilleurs matériaux candidats pour la photosynthèse artificielle, car il est relativement abordable et possède des caractéristiques appropriées pour absorber la lumière visible.
Pour mieux comprendre comment optimiser les conditions de travail de ce matériau prometteur, Toma et son équipe ont examiné de plus près la structure cristalline de l’oxyde cuivreux avant et après utilisation.
Les expériences de microscopie électronique menées à la Fonderie moléculaire ont confirmé que l’oxyde cuivreux s’oxyde ou se corrode rapidement dans les minutes qui suivent son exposition à la lumière et à l’eau. Dans le cadre de la recherche sur la photosynthèse artificielle, les chercheurs ont généralement utilisé l’eau comme électrolyte dans la réduction du dioxyde de carbone en produits chimiques ou carburants renouvelables, tels que l’éthylène et l’hydrogène – mais l’eau contient des ions hydroxyde, ce qui entraîne une instabilité.
Mais une autre expérience, utilisant cette fois une technique appelée spectroscopie photoélectronique à rayons X à pression ambiante (APXPS) à l’Advanced Light Source, a révélé un indice inattendu : l’oxyde cuivreux se corrode encore plus rapidement dans l’eau contenant des ions hydroxydes, qui sont des ions chargés négativement composés d’un atome d’oxygène et d’un atome de soufre. atome d’oxygène lié à un atome d’hydrogène.
“Nous savions que ce matériau était instable, mais nous avons été surpris d’apprendre à quel point il l’était vraiment”, a déclaré M. Toma. “Lorsque nous avons commencé cette étude, nous nous sommes demandé si la clé d’un meilleur dispositif de combustibles solaires ne se trouvait pas dans le matériau en lui-même, mais dans l’environnement global de la réaction, y compris l’électrolyte.”
“Cela démontre que les hydroxydes contribuent à la corrosion. D’un autre côté, nous avons pensé que si vous éliminez la source de la corrosion, vous éliminez la corrosion”, a expliqué le premier auteur Guiji Liu, un scientifique du projet LiSA dans la division des sciences chimiques du Berkeley Lab.
Découverte d’indices inattendus sur la corrosion
Dans les dispositifs électroniques, les paires électron-trou se séparent en électrons et en trous pour générer une charge. Mais une fois séparés, si les électrons et les trous ne sont pas utilisés pour produire de l’électricité, comme dans un dispositif photovoltaïque qui convertit la lumière du soleil en électricité, ou pour effectuer une réaction dans un dispositif de photosynthèse artificielle, ils peuvent réagir avec le matériau et le dégrader.
Dans la photosynthèse artificielle, cette recombinaison peut corroder l’oxyde cuivreux si elle n’est pas correctement contrôlée. Les scientifiques ont longtemps supposé que les électrons étaient les seuls responsables de la corrosion de l’oxyde cuivreux. Mais à la surprise de Toma et Liu, des simulations informatiques réalisées au National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) ont montré que les trous jouaient également un rôle. “Avant notre étude, la plupart des gens supposaient que la dégradation de l’oxyde cuivreux induite par la lumière était principalement causée par les électrons, et non par les trous”, a déclaré M. Liu.
Les simulations ont également laissé entrevoir une solution potentielle à l’instabilité inhérente de l’oxyde cuivreux : un PEC à l’oxyde cuivreux recouvert d’argent sur le dessus et d’or/oxyde de fer en dessous.Ce “schéma en Z”, qui s’inspire du transfert d’électrons qui a lieu dans la photosynthèse naturelle, devrait créer un “entonnoir” qui envoie les trous de l’oxyde cuivreux vers le “puits” d’or/oxyde de fer. De plus, la diversité des matériaux à l’interface devrait stabiliser le système en fournissant des électrons supplémentaires pour se recombiner avec les trous de l’oxyde cuivreux, explique Toma.
Pour valider leurs simulations, les chercheurs ont conçu un modèle physique d’un dispositif de photosynthèse artificielle à schéma en Z au laboratoire LiSA de Toma au Berkeley Lab. À leur grande joie, le dispositif a produit de l’éthylène et de l’hydrogène avec une sélectivité sans précédent – et pendant plus de 24 heures. “C’est un résultat passionnant”, a déclaré Toma.
“Nous espérons que nos travaux encourageront les gens à concevoir des stratégies qui s’adaptent aux caractéristiques intrinsèques des matériaux semi-conducteurs dans les dispositifs de photosynthèse artificielle”, a ajouté Liu.
Les chercheurs prévoient de poursuivre leurs travaux sur le développement de nouveaux dispositifs solaires pour la production de carburants liquides en utilisant leur nouvelle approche. “Comprendre comment les matériaux se transforment pendant qu’ils fonctionnent dans un dispositif de photosynthèse artificielle peut permettre une réparation préventive et une activité prolongée”, a conclu Toma.
Référence : “Investigation et atténuation des mécanismes de dégradation du cuivre”.2O photoélectrodes pour le CO2 reduction to ethylene” par Guiji Liu, Fan Zheng, Junrui Li, Guosong Zeng, Yifan Ye, David M. Larson, Junko Yano, Ethan J. Crumlin, Joel W. Ager, Lin-wang Wang et Francesca M. Toma, 8 novembre 2021, Nature Energy.
DOI: 10.1038/s41560-021-00927-1
Les autres co-auteurs sont Fan Zheng, Junrui Li, Guosong Zeng. Yifan Ye, David Larson, Junko Yano, Ethan Crumlin, Joel Ager et Lin-wang Wang.
La Liquid Sunlight Alliance est un centre d’innovation énergétique du DOE. L’Advanced Light Source, la Molecular Foundry et le NERSC sont des installations d’utilisateurs au Berkeley Lab.
Ce travail a été soutenu par le DOE Office of Science.
