Comment les photoélectrodes changent au contact de l’eau


Chaque feuille verte est capable de convertir l’énergie solaire en énergie chimique, en la stockant dans des composés chimiques. Cependant, un sous-processus important de la photosynthèse peut déjà être techniquement imité – la production d’hydrogène solaire : la lumière du soleil génère un courant dans une soi-disant photoélectrode qui peut être utilisée pour diviser les molécules d’eau. Cela produit de l’hydrogène, un carburant polyvalent qui stocke l’énergie solaire sous forme chimique et peut la restituer en cas de besoin.

Des photoélectrodes aux multiples talents

Au HZB Institute for Solar Fuels, de nombreuses équipes travaillent sur cette vision. L’objectif de leurs recherches est de produire des photoélectrodes efficaces. Ce sont des semi-conducteurs qui restent stables dans les solutions aqueuses et qui sont très actifs : non seulement ils peuvent convertir la lumière du soleil en courant électrique, mais ils peuvent également agir comme catalyseurs pour accélérer la séparation de l’eau. Parmi les meilleurs candidats pour des photoélectrodes peu coûteuses et efficaces se trouve le vanadate de bismuth (BiVO4).

Que se passe-t-il lorsqu’il est dans l’eau ?

« Fondamentalement, nous savons qu’en immergeant simplement le vanadate de bismuth dans la solution aqueuse, la composition chimique de la surface change », explique le Dr David Starr de l’Institut HZB pour les combustibles solaires. Et son collègue le Dr Marco Favaro d’ajouter : « Bien qu’il existe de très nombreuses études sur le BiVO4il n’a pas été clair jusqu’à présent quelles implications cela a sur les propriétés électroniques de surface une fois qu’elles entrent en contact avec les molécules d’eau. » Dans ce travail, ils ont maintenant étudié cette question.

BiVO dopé4 sous vapeur d’eau

Ils ont étudié des monocristaux de BiVO4 dopé au molybdène sous vapeur d’eau avec spectroscopie de photoémission à pression ambiante résonnante à la source de lumière avancée du Lawrence Berkeley National Laboratory. Une équipe dirigée par Giulia Galli de l’Université de Chicago a ensuite effectué des calculs de la théorie fonctionnelle de la densité pour aider à interpréter les données et à démêler les contributions des éléments individuels et des orbitales d’électrons aux états électroniques.

Polarons en surface détectés

« Sur site la photoémission résonnante nous a permis de comprendre comment les propriétés électroniques de notre BiVO4 les cristaux changent lors de l’adsorption d’eau », explique Favaro. La combinaison de mesures et de calculs a montré qu’en raison d’une charge excessive, générée soit par le dopage, soit par des défauts sur certaines surfaces du cristal, des polarons peuvent se former : des états localisés chargés négativement, où l’eau Les molécules peuvent facilement se fixer puis se dissocier. Les groupes hydroxyle formés par dissociation de l’eau aident à stabiliser la formation de polarons. « Les électrons en excès sont localisés sous forme de polarons à VO4 unités à la surface », Starr résume les résultats.

Optimisation basée sur les connaissances

« Ce que nous ne pouvons pas encore évaluer avec certitude, c’est le rôle que jouent les polarons dans le transfert de charge. Qu’ils le favorisent et donc augmentent l’efficacité ou, au contraire, qu’ils soient un obstacle, nous devons encore le comprendre », admet Starr. Les résultats fournissent des informations précieuses sur les processus qui modifient la composition chimique de surface et la structure électronique et pourraient favoriser la conception basée sur les connaissances de meilleures photoanodes pour la production d’hydrogène vert.

Source de l’histoire :

Matériel fourni par Centre Helmholtz de Berlin pour les matériaux et l’énergie. Remarque : Le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.

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