Exploration du rôle des défauts d'oxygène dans un film protecteur de dioxyde de titane pour maximiser l'efficacité de la production d'hydrogène

29 mai 2023

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par le Conseil national de recherches sur la science et la technologie

L'hydrogène a attiré l'attention en tant que source d'énergie propre et efficace. Mais l'hydrogène est-il vraiment écologique ? La plupart de l'hydrogène couramment utilisé aujourd'hui est de l'hydrogène gris dérivé de combustibles fossiles. Comme son processus de production accompagne la génération de gaz à effet de serre, on peut dire que l'hydrogène gris n'est pas respectueux de l'environnement au sens strict. L'ère de l'hydrogène vert sans émission de carbone n'a pas encore commencé.

L'Institut coréen de recherche sur les normes et les sciences (KRISS) a démontré la clé de la longévité et de l'efficacité d'une photoanode avec film protecteur, qui est utilisée pour produire de l'hydrogène via la séparation de l'eau à l'aide de l'énergie solaire. Cela devrait faire avancer l'ère de l'hydrogène vert respectueux de l'environnement.

L'hydrogène vert est produit sans émission de carbone en utilisant des sources d'énergie renouvelables. Une méthode représentative pour produire de l'hydrogène vert est la séparation photoélectrochimique de l'eau à l'aide d'une photoanode qui est directement immergée dans l'électrolyte et peut absorber la lumière du soleil. En conséquence, la photoanode divise directement l'eau de contact en hydrogène et oxygène en utilisant l'énergie solaire absorbée. Cependant, comme la photoanode est en contact direct avec l'électrolyte, elle est sujette à la corrosion de surface. Des revêtements protecteurs de surface ont été déposés sur la surface pour empêcher la corrosion de surface.

Généralement, des matériaux oxydes tels que le dioxyde de titane (TiO2) sont utilisés comme films protecteurs pour les photoanodes. Bien que les matériaux oxydes soient de mauvais conducteurs de l'électricité, leur conductivité peut être modulée lorsque des défauts d'oxygène, servant de canal de transport de charge, se forment. La clé pour prolonger la durée de vie des photoanodes est de développer un film protecteur suffisamment durable pour empêcher la corrosion des électrodes et capable de maintenir une conductivité électrique optimale.

KRISS a développé la première technologie au monde pour moduler systématiquement les niveaux de défauts d'oxygène dans un film protecteur de dioxyde de titane (TiO2) de photoanode 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 des photoanodes et la production d'hydrogène en utilisant la spectroscopie photoélectronique à rayons X et l'analyse électrochimique.

Contrairement aux études antérieures qui reposaient 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 une production de masse.

Selon les résultats expérimentaux, la photoanode sans film protecteur a montré une dégradation rapide de la durée de vie en une heure, entraînant une chute du rendement de production d'hydrogène en dessous de 20 % par rapport à l'état initial. D'autre part, la photoanode avec film protecteur optimisé a maintenu une efficacité de production d'hydrogène de plus de 85 % même après 100 heures.

Cette réalisation a le potentiel d'améliorer l'efficacité et la durée de vie des photoanodes et peut être appliquée à d'autres technologies propres qui reposent sur des photoanodes. La technologie de photosynthèse artificielle qui capte le dioxyde de carbone et le convertit en une source d'énergie chimique à l'aide de l'énergie solaire en est un exemple.

Le Dr Ansoon Kim, chercheur principal à l'Institut interdisciplinaire de mesure des matériaux KRISS, a déclaré : « Cette approche peut améliorer la durée de vie des photoanodes d'environ 10 fois et contribuer de manière significative à la commercialisation de l'hydrogène vert.

KRISS prévoit de mener d'autres recherches pour dévoiler les niveaux optimaux de défauts d'oxygène et les principes sous-jacents qui maximisent la durée de vie des photoanodes.

La recherche est publiée dans le Journal of Materials Chemistry A.

Plus d'information: Songwoung Hong et al, Rôle de la densité de défauts dans la couche protectrice TiOx de la photoanode n-Si pour une séparation photoélectrochimique efficace de l'eau, Journal of Materials Chemistry A (2023). DOI : 10.1039/D2TA07082K