Des chercheurs conçoivent des photocathodes à semi-conducteurs organiques durables avec encapsulation par feuille métallique

22 septembre 2022

par GIST (Institut des sciences et technologies de Gwangju)

L’hydrogène apparaît comme une alternative écologique populaire aux ressources fossiles en raison de ses produits de combustion neutres en carbone (eau, électricité et chaleur) et est considéré comme le carburant de nouvelle génération pour une société zéro émission. Cependant, la principale source d’hydrogène est, ironiquement, les combustibles fossiles.

Une façon de produire de l’hydrogène de manière propre et durable consiste à diviser l’eau par la lumière du soleil. Le processus, connu sous le nom de « division photoélectrochimique (PEC) de l'eau », constitue la base du fonctionnement des cellules photovoltaïques organiques. Ce qui rend cette méthode attrayante, c’est qu’elle permet 1) une production massive d’hydrogène dans un espace limité sans système de réseau et 2) une conversion à haut rendement de l’énergie solaire en hydrogène.

Malgré ces avantages, les matériaux photoactifs utilisés dans les PEC conventionnels ne possèdent pas les propriétés requises pour un environnement commercial. À cet égard, les semi-conducteurs organiques (OS) sont devenus un matériau de photoélectrode potentiel pour la production commerciale d’hydrogène PEC en raison de leurs hautes performances et de leur impression à faible coût. Mais, en revanche, les systèmes d’exploitation souffrent d’une mauvaise stabilité chimique et d’une faible densité de photocourant.

Aujourd'hui, une équipe de chercheurs dirigée par le professeur Sanghan Lee de l'Institut des sciences et technologies de Gwangju, en Corée, a peut-être enfin résolu ce problème. Dans leur récente avancée publiée sur la première page du Journal of Materials Chemistry A, l'équipe a adopté une approche basée sur l'encapsulation de la photocathode OS dans une feuille de titane décorée de platine, une technique connue sous le nom d'« encapsulation par feuille métallique », pour empêcher son exposition à la solution électrolytique.

"L'encapsulation par feuille métallique est une approche puissante pour réaliser des photocathodes basées sur OS stables à long terme, car elle contribue à empêcher la pénétration des électrolytes dans l'OS, améliorant ainsi leur stabilité à long terme, comme cela a été démontré dans nos études précédentes et d'autres rapports sur l'OS. ", explique le professeur Lee.

L’équipe a fabriqué une cellule photovoltaïque organique dans laquelle la photocathode OS était recouverte d’une feuille de titane et de nanoparticules de platine bien dispersées. Lors des tests, la photocathode OS a montré un potentiel d'apparition de 1 V par rapport à l'électrode à hydrogène réversible (RHE) et une densité de photocourant de -12,3 mA cm-2 à 0 VRHE. Plus remarquable encore, la cellule a démontré une stabilité de fonctionnement record, conservant 95,4 % du photocourant maximum pendant plus de 30 heures sans aucune détérioration notable du système d'exploitation. De plus, l’équipe a testé le module sous la lumière réelle du soleil et a pu produire de l’hydrogène.

Le module PEC hautement stable et efficace développé dans cette étude peut permettre la production d’hydrogène à grande échelle et inspirer des voies innovantes pour la construction de futures stations-service à hydrogène. "Avec la menace croissante du réchauffement climatique, il est impératif de développer des sources d'énergie respectueuses de l'environnement. Le module PEC exploré dans notre étude pourrait être installé dans les stations-service à hydrogène, où l'hydrogène peut être à la fois produit en masse et vendu en même temps", " dit le professeur Lee.

Plus d'information: Sehun Seo et al, Un système de module photoélectrochimique à base de photocathode à semi-conducteur organique stable à long terme pour la production d'hydrogène, Journal of Materials Chemistry A (2022). DOI : 10.1039/D2TA02322A