Énergie renouvelable grâce à la photo-électrochimie
Une nouvelle installation multimodale permet de déterminer les changements structurels affectant les matériaux PEC dans des conditions de fonctionnement réalistes
La photo-électrochimie (PEC) offre la possibilité de convertir l'énergie renouvelable, telle que la lumière solaire, en carburants verts utiles. Cependant, la plupart des matériaux PEC connus souffrent de problèmes d'instabilité qui sont difficiles à détecter et qui entraînent une diminution de leurs performances en fonctionnement continu. Une équipe de recherche de l'université de Hambourg, de DESY et de LMU Munich a mis au point, dans le cadre du projet LUCENT du BMBF, une nouvelle installation multimodale qui détermine les changements structurels affectant les matériaux PEC dans des conditions de fonctionnement réalistes. Les chercheurs ont publié leurs résultats dans le numéro actuel de la revue "Angewandte Chemie International Edition".
Une cellule photoélectrochimique construite sur mesure permet d'étudier la structure d'un matériau PEC actif à l'aide d'un faisceau de rayons X à haute énergie.
Davide Derelli
n des défis les plus urgents auxquels la société moderne est confrontée est la transition des combustibles fossiles vers des alternatives vertes et renouvelables. Grâce au fractionnement photo-électrochimique de l'eau, l'énergie solaire peut être utilisée pour convertir l'eau directement en ses deux composants, l'oxygène et l'hydrogène. L'hydrogène a une grande valeur, car il représente un élément de base commun pour la production industrielle de nombreux composés chimiques. En outre, l'hydrogène peut être stocké, transporté et brûlé à la demande en tant que combustible vert produisant de la chaleur et un déchet totalement inoffensif, l'eau. Cependant, à l'heure actuelle, aucun matériau PEC n'a réussi à passer du laboratoire à un dispositif opérationnel dans le monde réel.
L'une des principales raisons de la lenteur de l'essor de la technologie photoélectrochimique efficace est sa faible stabilité en fonctionnement continu". Les conditions permettant aux processus photo-électrochimiques de se produire sont plutôt difficiles", explique le Dr Francesco Caddeo de l'Universität Hamburg. "L'utilisation du rayonnement solaire, l'application d'une tension externe et la présence d'ions chimiques dans l'électrolyte entraînent une dégradation rapide de la plupart des matériaux photo-électrochimiquement actifs au fil du temps. Bien que nombre de ces phénomènes de dégradation soient encore largement inconnus, leur mise en évidence constitue une étape essentielle vers le développement de matériaux PEC plus stables et plus efficaces."
"D'un point de vue chimique, la séparation photo-électrochimique de l'eau constitue un processus assez complexe. Pour comprendre les différents phénomènes, l'utilisation de techniques complémentaires permettant de "voir" le problème sous différents angles est cruciale", explique Dorota Koziej, professeur au département de physique et membre du pôle d'excellence "CUI : Advanced Imaging of Matter" à l'université de Hambourg. "Certaines techniques, comme la spectroscopie, ciblent des espèces chimiques spécifiques qui peuvent se former à la surface du matériau ou dans l'électrolyte. À l'inverse, la diffusion des rayons X offre une perspective globale de l'arrangement atomique dans le matériau PEC. L'essentiel est d'exploiter les avantages de chaque analyse pour reconstituer le processus de photodégradation comme si nous étions sur une scène de crime".
Cependant, le temps nécessaire pour effectuer la mesure analytique constitue également un facteur important à prendre en compte. "Lorsque nous avons commencé à étudier les propriétés PEC des films CuBi2O4, nous avons immédiatement réalisé qu'un processus de photodégradation rapide se produisait, ce qui détermine une perte d'environ 90 % des performances du matériau en seulement quelques minutes de fonctionnement", révèle Davide Derelli, de l'Universität Hamburg et l'un des principaux scientifiques de l'étude. "Nous nous sommes donc tournés vers l'utilisation du rayonnement X à haute brillance fourni par la source de rayonnement X PETRA III à DESY pour collecter des modèles de diffusion avec une haute résolution temporelle, ce qui a permis de suivre de près la dynamique du processus de photodégradation."
Kilian Frank, du LMU, explique l'expérience : "Lorsque les rayons X interagissent avec la surface du matériau, tous les rayonnements sont diffusés à des angles différents, ce qui crée des motifs caractéristiques. À faible angle, les motifs de diffusion contiennent des informations sur la forme extérieure du film PEC, tandis qu'à angle plus élevé, ils révèlent son arrangement atomique. Pour recueillir ces deux informations simultanément, nous avons utilisé deux détecteurs différents, ce qui a permis d'obtenir une représentation exceptionnellement complète de la structure du matériau pendant le fonctionnement du PEC".
Le professeur Koziej se tourne déjà vers les prochains défis scientifiques : "La compréhension de la dégradation des matériaux PEC en fonctionnement n'est qu'une première étape. L'objectif est de développer de nouvelles stratégies pour accroître la stabilité et l'efficacité des dispositifs PEC".
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Davide Derelli, Francesco Caddeo, Kilian Frank, Kilian Krötzsch, Patrick Ewerhardt, Marco Krüger, Sophie Medicus, Lars Klemeyer, Marvin Skiba, Charlotte Ruhmlieb, Olof Gutowski, Ann‐Christin Dippel, Wolfgang J. Parak, Bert Nickel, Dorota Koziej; "Photodegradation of CuBi2O4 Films Evidenced by Fast Formation of Metallic Bi using Operando Surface‐sensitive X‐ray Scattering**"; Angewandte Chemie International Edition, 2023-9-18
"Dorota Koziej"; Angewandte Chemie International Edition, 2023-9-28
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