Une stratégie pour stabiliser les photoélectrodes séparant l’eau pour la production d’énergie solaire à hydrogène

Une stratégie pour stabiliser les photoélectrodes séparant l'eau pour la production d'énergie solaire à hydrogène

Protecteur hydrogel hautement perméable et transparent sur le dispositif PEC. a, Schéma du PAAM protégé par hydrogel Pt/TiO2/Sb2Se3 photocathode pour la séparation de l’eau PEC sous illumination. Parce que l’hydrogel PAAM est hautement perméable et transparent, les ions hydrogène dans l’électrolyte et la lumière incidente peuvent atteindre la photoélectrode sans perturbation de la couche supérieure de l’appareil. b, fabrication du protecteur d’hydrogel sur le dessus de l’appareil. APTES désigne le (3-aminopropyl)triéthoxysilane. Crédit : Tan et al, Énergie naturelle (2022). DOI : 10.1038 / s41560-022-01042-5

Ces dernières années, les ingénieurs ont tenté de concevoir de nouvelles technologies pour produire et stocker l’énergie de manière plus durable, dans l’espoir de surmonter la dépendance mondiale aux combustibles fossiles et de lutter contre le changement climatique. Une solution qui a attiré beaucoup d’attention est la conversion de l’énergie solaire en hydrogène par un processus connu sous le nom de fractionnement de l’eau.

La séparation de l’eau est un processus chimique par lequel l’eau peut être décomposée en ses deux composants principaux : l’hydrogène et l’oxygène. Les procédés photoélectrochimiques (PEC) de fractionnement de l’eau permettraient de produire de l’hydrogène vert à partir de la lumière du soleil et de l’eau.

Pour être mis en œuvre à grande échelle, les dispositifs PEC ne doivent pas être trop coûteux et doivent avoir une longue durée de vie. Cependant, le développement de dispositifs stables dans le temps à l’aide de matériaux largement disponibles et abordables s’est jusqu’à présent avéré difficile.

En fait, des études antérieures ont montré que les photoélectrodes constituées de matériaux abondants sur Terre, tels que les semi-conducteurs absorbant la lumière, ont tendance à se corroder facilement lorsqu’elles sont exposées à la lumière du soleil. Cela freine considérablement le développement de dispositifs PEC basés sur ces matériaux abondants et plus abordables.

Des chercheurs de l’Université Yonsei ont récemment introduit une nouvelle stratégie qui pourrait augmenter la stabilité des photoélectrodes dans les dispositifs de séparation de l’eau PEC. Cette méthode, présentée dans un article publié dans Énergie naturelleimplique l’utilisation d’une couche à base d’hydrogel et transparente qui peut protéger les photocathodes (c’est-à-dire des électrodes chargées négativement qui émettent des électrons lorsqu’elles sont exposées à une lumière d’énergie rayonnante).

“La durée de vie des dispositifs photoélectrochimiques est entravée par la photocorrosion sévère des semi-conducteurs et l’instabilité des photocatalyseurs”, ont écrit Jeiwan Tan et ses collègues dans leur article. “Nous rapportons une stratégie de stabilisation des dispositifs photoélectrochimiques qui utilise un hydrogel de polyacrylamide comme protecteur de dispositif hautement perméable et transparent.”

La couche protectrice perméable et transparente conçue par Tan et ses collègues s’inspire des plantes marines photosynthétiques. Ces plantes, dont les algues, possèdent des cellules qui sont recouvertes d’un hydrogel nano-poreux et protecteur. Cet hydrogène peut empêcher la déformation et la rupture des cellules pouvant résulter du contact physique avec les forces et les organismes du milieu aquatique.

Lorsque les cellules d’algues sont recouvertes de cet hydrogène, elles peuvent transmettre la lumière et conserver leur niveau d’eau. Les chercheurs ont tenté de créer une couche protectrice similaire qui pourrait empêcher la corrosion des photoélectrodes, améliorant ainsi la stabilité des dispositifs PEC. Ils ont testé cette couche sur une photocathode en triséléniure d’antimoine (Sb2Se3).

“Un Sb protégé par un hydrogel2Se3 la photocathode présente une stabilité sur 100 h, maintenant environ 70 % du photocourant initial, et le taux de dégradation diminue progressivement jusqu’au niveau de saturation », ont écrit les chercheurs dans leur article. « La stabilité structurelle d’un Pt/TiO2/Sb2Se3 la photocathode reste inchangée au-delà de cette durée, et une évacuation efficace des bulles est assurée à travers le micro tunnel de gaz formé dans l’hydrogel pour obtenir un protecteur mécaniquement stable.”

Les premiers tests menés par les chercheurs ont donné des résultats très prometteurs, suggérant que leur hydrogène protecteur pourrait empêcher la dégradation et la corrosion du Sb2Se3photodétecteurs à base d’eau pour les applications de séparation de l’eau. Tan et ses collègues ont également montré que leur protecteur hydrogel est compatible avec les électrolytes qui ont une large gamme de valeurs de pH, tout en utilisant toujours une photocathode SnS et un BiVO4 photoanode avec une durée de vie d’environ 500 heures.

À l’avenir, le protecteur à base d’hydrogel introduit dans leur article pourrait être utilisé pour protéger les photocathodes à l’intérieur de divers dispositifs PEC pour la séparation de l’eau. Cela pourrait faciliter la mise en place à grande échelle de ces dispositifs, contribuant à terme à lutter contre le changement climatique.


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Plus d’information:
Jeiwan Tan et al, stratégie de protection Hydrogel pour stabiliser les photoélectrodes de séparation de l’eau, Énergie naturelle (2022). DOI : 10.1038 / s41560-022-01042-5

© 2022 Réseau Science X

Citation: A strategy to stabilis water-splitting photoelectrodes for solar-to-hydrogen production (12 juillet 2022) récupéré le 12 juillet 2022 sur https://techxplore.com/news/2022-07-strategy-served-water-splitting-photoelectrodes -solaire-à-hydrogène.html

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