Vue moléculaire de la photolyse de l’eau
La chasse aux trous électroniques
La production directe d’hydrogène à partir du rayonnement solaire est depuis longtemps de Saint Graal de l’approvisionnement durable en énergie. L’oxyde de fer est un matériau prometteur pour la réalisation des électrodes nécessaires pour l’hydrolyse photoélectrochimique de l’eau – cela parce qu’il est peu onéreux, stable, non polluant et disponible en grandes quantités. Une équipe internationale de chercheurs placée sous la direction de l’Empa est maintenant parvenue à observer les modifications structurales moléculaires d’une électrode en oxyde de fer au cours de la photolyse de l’eau. Un résultat qui ouvre la voie à une production peu coûteuse d’hydrogène à partir de l’énergie solaire.
(Source image: iStock) |
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L’hématite, la forme minérale de l’oxyde de fer (ou tout banalement la rouille) est un matériau prometteur pour la confection des anodes des cellules photoélectrochimiques (CPE), cela parce qu’elle permet de capter le rayonnement solaire sur un large domaine de son spectre. Bien que l’hématite permette d’atteindre théoriquement un rendement de conversion solaire-hydrogène de 15 pour-cent, son efficience effective est nettement inférieure à celle d’autres oxydes métalliques. Cela est dû à la structure moléculaire de l’hématite dans laquelle, à l’état excité, les trous électroniques ont une durée de vie extrêmement brève.
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C’est aussi pourquoi il était important d’obtenir des connaissances plus précises sur l’état des trous électroniques à la surface de l’hématite. Déjà auparavant on soupçonnait que l’hématite formait deux types de trous différents possédant un potentiel lui aussi différent pour la scission de l’eau. L’existence de types de trous différents possédant une réactivité différente pour l’oxydation de l’eau a des conséquences d’une grande portée sur le rendement photoélectrique de l’hématite. La détection de ces trous est cependant difficile, entre autres du fait de leur durée de vue extrêmement brève.
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L’expérience révolutionnaire réalisée par cette équipe de chercheurs prouve la formation de deux types de trous d’électrons à la surface de contact entre le semi-conducteur et le liquide – et cela précisément dans les conditions dans lesquelles se crée le photocourant. L’analyse quantitative des signatures spectrales a montré que, contrairement aux spéculations antérieures, les deux types contribuent à la formation du photocourant. «C’est là une étape décisive dans la compréhension de la photolyse de l’eau et une nouvelle encourageante pour les scientifiques du monde entier qui travaillent à l’optimisation de l’hématite pour les photoanodes des CPE», déclare Braun.. | ||||
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