Une étude explore les mécanismes de dégradation dans les photoélectrodes Cu2O pour la réduction du CO2

Une étude explore les mécanismes de dégradation dans les photoélectrodes Cu2O pour la réduction du CO2

Images colorées en microscopie électronique à balayage des échantillons utilisés par les chercheurs. Coupe en X d’échantillons vierges (en haut) et corrodés (en bas). Crédit : Adriana Prakhova (Ella Maru Studio Inc.).

La conversion efficace et à grande échelle du dioxyde de carbone en carburants ou autres substances précieuses pourrait aider à faire face à la crise énergétique actuelle et à atténuer les effets du réchauffement climatique. L’une des approches les plus efficaces pour convertir le CO2 en d’autres produits, en utilisant la lumière du soleil et à température et pression ambiantes, est un processus connu sous le nom de CO photoélectrochimique (PEC)2 réduction.

Bien que ce processus ait obtenu des résultats prometteurs jusqu’à présent, il nécessite l’utilisation de matériaux semi-conducteurs sujets à la dégradation. Comprendre les changements chimiques qui sous-tendent cette dégradation pourrait finalement aider à concevoir des stratégies pour l’atténuer et réduire ses effets néfastes.

Des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory ont récemment mené une étude sur les mécanismes à la base de la dégradation de l’oxyde cuivreux (Cu2O). Dans leur article, publié en Énergie naturelle, ils proposent également une stratégie qui pourrait aider à atténuer la dégradation de ce matériau lors du PEC CO2 processus de réduction.

« Le PEC CO2 processus de réduction est également connu sous le nom de photosynthèse artificielle car il imite le cycle énergétique de la nature », a déclaré à TechXplore Francesca Maria Toma, l’une des chercheuses qui ont mené l’étude. « Les matériaux semi-conducteurs (par exemple, le Cu2O) peuvent fonctionner comme des photoélectrodes et sont la clé de ce processus. Cependant, les photoélectrodes existantes souffrent généralement d’une dégradation catastrophique dans les conditions de fonctionnement. »

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Le dispositif de photosynthèse artificielle des chercheurs convertit les émissions de CO2 en carburants à base d’éthylène et d’hydrogène. Crédit : Thor Swift/Laboratoire de Berkeley. © The Regents of the University of California, Lawrence Berkeley National Laboratory.

Jusqu’à présent, la dégradation des photoélectrodes a empêché le développement de systèmes PEC qui pourraient remplacer de manière réaliste les technologies existantes de conversion et de stockage d’énergie. Alors que certaines études antérieures ont introduit des techniques pour protéger les semi-conducteurs, les mécanismes qui sous-tendent leur dégradation sont encore mal compris.

« Dans notre article, nous déterminons le mécanisme de dégradation de Cu2O, en tant que photocathode modèle, en fonctionnement, identifiant les facteurs clés qui régissent le processus de dégradation », a expliqué Toma. « Par conséquent, nous proposons une conception rationnelle d’un système de protection pour ce matériau qui garantit un CO soutenu et sélectif entraîné par la lumière.2 réduction en éthylène.

Dans le cadre de leur étude, Toma et ses collègues ont mené une série d’expériences visant à mieux comprendre l’origine de la corrosion qui a lieu dans Cu2O photoélectrodes. Pour ce faire, ils ont rassemblé de nombreuses données chimiques, structurelles et fonctionnelles à l’aide de nombreux outils différents.

« Par exemple, nous avons utilisé la spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif (ICP-MS), la spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS), le microscope électronique à balayage (MEB), la microscopie électronique à transmission haute résolution (HRTEM) et les caractérisations photoélectrochimiques (PEC), comme ainsi que la spectroscopie photoélectronique à rayons X à pression ambiante (APXPS) pour comprendre les voies de dégradation du Cu2O sous éclairage dans différents électrolytes pertinents pour la production d’hydrogène et de CO2 réduction », a déclaré Toma. « Cette dernière technique, appliquée à la source de lumière avancée, a joué un rôle déterminant pour compléter le puzzle, révélant le rôle particulier des ions hydroxyde dans le processus de corrosion. »

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Images colorées en microscopie électronique à balayage des échantillons utilisés par les chercheurs. Coupe en X de l’échantillon corrodé. Crédit : Adriana Prakhova (Ella Maru Studio Inc.).

Les expériences menées par les chercheurs ont donné plusieurs résultats intéressants. Plus particulièrement, l’équipe a observé que sous illumination Cu2O subit simultanément une réduction par des électrons photogénérés et une oxydation par des trous dans le matériau, à des taux de dégradation dépendants de l’électrolyte.

Ces découvertes ont inspiré Toma et ses collègues à concevoir une nouvelle technique pour protéger les photoélectrodes. Cette technique implique l’utilisation d’un catalyseur à l’argent pour accélérer le transfert d’électrons photogénérés et d’une hétérojonction de schéma Z pour extraire les trous dans le matériau.

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    Francesca Maria Toma et Guiji Liu, deux des chercheurs qui ont mené l’étude. Crédit : Thor Swift/Laboratoire de Berkeley. © The Regents of the University of California, Lawrence Berkeley National Laboratory.

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    Guiji Liu travaille sur le projet. Crédit : Thor Swift/Laboratoire de Berkeley. © The Regents of the University of California, Lawrence Berkeley National Laboratory.

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    Images colorées en microscopie électronique à balayage des échantillons utilisés par les chercheurs. Coupe X d’un échantillon vierge. Crédit : Adriana Prakhova (Ella Maru Studio Inc.).

« Notre travail met en évidence l’importance des électrolytes environnants dans la définition de la voie de transformation cinétique, qui est actuellement négligée dans la littérature », a déclaré Toma. « De plus, cela suggère que la compréhension des transformations des matériaux dans des conditions de fonctionnement est fondamentale pour la conception rationnelle de dispositifs à énergie solaire pour incorporer des photoélectrodes dans de nouvelles architectures et de nouveaux environnements. »

À l’avenir, les résultats recueillis par cette équipe de chercheurs pourraient faciliter l’adoption généralisée de PEC CO2 processus de réduction, en aidant à atténuer la dégradation des photoélectrodes. Pendant ce temps, Toma et ses collègues prévoient de mener d’autres études pour évaluer les nouvelles solutions et technologies énergétiques.

« Nous continuerons à développer de nouveaux dispositifs à combustible solaire pour la production de combustibles liquides par cette approche rationnelle – comprendre comment les matériaux et les dispositifs se transforment pendant qu’ils fonctionnent peut permettre une réparation préventive et une activité prolongée », a déclaré Toma. « Nous voulons garder un œil attentif sur la durabilité et la circularité pour nous assurer que nos matériaux et nos approches peuvent être pertinents dans la quête de l’énergie. »


L’efficacité de séparation de l’eau photoélectrochimique atteint 4,5%


Plus d’information:
Guiji Liu et al, Investigation et atténuation des mécanismes de dégradation dans les photoélectrodes Cu2O pour la réduction du CO2 en éthylène, Énergie naturelle (2021). DOI : 10.1038 / s41560-021-00927-1

© 2021 Réseau Science X

Citation: Une étude explore les mécanismes de dégradation dans les photoélectrodes Cu2O pour la réduction du CO2 (2021, 9 décembre) récupérée le 9 décembre 2021 sur https://techxplore.com/news/2021-12-explores-degradation-mechanisms-cu2o-photoelectrodes.html

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