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Comment les plantes artificielles sont un changeur de jeu pour les piles à combustible à hydrogène alimentées par la lumière du soleil



Les chercheurs examinent sous le capot les performances uniques du silicium et du nitrure de gallium dans les dispositifs de photosynthèse artificielle pour promouvoir la viabilité commerciale des sources d’hydrogène à énergie propre.

Les chercheurs ont amélioré une technologie de photosynthèse artificielle qu’ils avaient précédemment développée avec la découverte d’un nouvel aspect du matériau qui le compose et qui peut potentiellement faire avancer la commercialisation des piles à combustible à hydrogène.

Les scientifiques du Université du Michigan il y a trois ans a développé un dispositif de photosynthèse artificielle fait de silicium et de nitrure de gallium (Si/GaN) qui utilise la lumière du soleil pour créer de l’hydrogène sans carbone pour les piles à combustible.

Désormais, l’équipe a collaboré avec le Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) et le Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) du ministère de l’Énergie pour découvrir une propriété d’auto-amélioration du Si/GaN qui améliore l’efficacité et la stabilité du matériau pour convertir la lumière et l’eau. en hydrogène sans carbone.

Qualifiant la découverte de « changeur de jeu », Francesa Toma, scientifique au sein de la division des sciences chimiques du laboratoire national Lawrence Berkeley du département de l’Énergie, a déclaré que la propriété est en fait contraire à la façon dont les matériaux dans les systèmes de carburant solaire fonctionnent généralement, ce qui est se dégrader et perdre en stabilité et en efficacité.

Cela a stupéfié les scientifiques lorsqu’ils ont découvert le comportement du matériau, a-t-elle déclaré. « Nous avons découvert une propriété inhabituelle dans Si/GaN qui lui permet d’une manière ou d’une autre de devenir plus efficace et stable », a expliqué Toma dans un communiqué de presse. « Je n’ai jamais vu une telle stabilité.

Thor Swift/Laboratoire de Berkelypile à combustible.jpg

Guosong Zeng (à gauche), chercheur postdoctoral, et Francesca Toma, membre du personnel scientifique, tous deux de la division des sciences chimiques du Berkeley Lab, testent un dispositif de photosynthèse artificielle en nitrure de gallium. Toma et Zeng ont découvert que l’appareil, plutôt que de se dégrader avec le temps, s’améliore avec l’utilisation.

Tenir la promesse

Les piles à combustible ont longtemps été considérées comme une solution à l’impact environnemental des combustibles fossiles ; cependant, jusqu’à présent, ils n’ont pas tenu leur promesse de fournir de l’énergie propre pour des applications pour lesquelles les carburants à base de pétrole sont toujours considérés comme la meilleure option.

C’est peut-être parce que les matériaux de photosynthèse artificielle précédents étaient soit d’excellents absorbeurs de lumière qui manquent de durabilité, soit qu’ils sont composés de matériaux qui manquent d’efficacité d’absorption de la lumière, ont suggéré les chercheurs.

Maintenant, les scientifiques espèrent que leur découverte pourra être l’avancée dont les piles à combustible ont besoin pour une plus grande viabilité commerciale. Le silicium et le nitrure de gallium sont des matériaux abondants et bon marché qui sont largement utilisés comme semi-conducteurs dans l’électronique de tous les jours, tels que les LED (diodes électroluminescentes) et les cellules solaires.

Ceci, combiné à leur tendance à se comporter si bien pour la photosynthèse artificielle – atteindre une efficacité solaire à hydrogène de 3% dans le dispositif de l’Université du Michigan développé il y a trois ans – pourrait être la bonne combinaison de qualités pour promouvoir une adoption plus répandue des piles à combustible. , ont noté les chercheurs.

Faire la découverte

Pour faire cette découverte révolutionnaire, les chercheurs ont utilisé des techniques de microscopie avancées pour explorer les propriétés à l’échelle nanométrique (ou milliardièmes de mètre) des matériaux via HydroGEN, un consortium de cinq laboratoires nationaux soutenu par le bureau des technologies de l’hydrogène et des piles à combustible du DOE, et dirigé par le Laboratoire national des énergies renouvelables

Toma et Guosong Zeng, un chercheur postdoctoral à la division des sciences chimiques du Berkeley Lab, soupçonnaient que GaN pourrait être la raison du potentiel inhabituel de l’appareil pour l’efficacité et la stabilité de la production d’hydrogène.

Pour savoir si cette théorie était vraie, Zeng a réalisé une expérience de microscopie photoconductrice à force atomique pour tester le matériau. Plus précisément, les chercheurs ont observé comment les photocathodes du matériau convertissaient les photons absorbés en électrons, puis recrutaient ces électrons pour diviser l’eau en hydrogène. Cette réaction se produit généralement avant que le matériau ne commence à se dégrader et ne devienne moins stable et efficace.

Alors que les chercheurs s’attendaient à voir cette dégradation après quelques heures, ce qu’ils ont observé les a surpris, a déclaré Zeng. Le photocourant du matériau a plutôt connu une amélioration de deux à trois ordres de grandeur provenant de minuscules facettes le long de la « paroi latérale » du grain de GaN. De plus, le matériau a augmenté son efficacité au fil du temps, bien que la surface globale du matériau n’ait pas beaucoup changé, a-t-il déclaré.

« En d’autres termes, au lieu de s’aggraver, le matériel s’est amélioré », a déclaré Zeng dans un communiqué de presse.

D’autres tests

Les chercheurs se sont ensuite tournés vers d’autres technologies, y compris la technologie de microscopie électronique à transmission à balayage (STEM) au Centre national de microscopie électronique de la fonderie moléculaire de Berkeley Lab, ainsi que la spectroscopie photonique à rayons X (XPS) dépendant de l’angle – pour explorer davantage le comportement de le matériel.

Ce qu’ils ont découvert, c’est qu’une couche de 1 nanomètre mélangée à du gallium, de l’azote et de l’oxygène – ou de l’oxynitrure de gallium – s’était formée le long de certaines parois latérales lors d’une réaction chimique qui a ajouté des « sites catalytiques actifs pour les réactions de production d’hydrogène », a déclaré Toma dans un Déclaration de presse.

Les chercheurs ont publié un article sur leurs travaux dans la revue Matériaux naturels.

Ils espèrent que leurs découvertes et leur approche de la découverte du comportement du matériau seront utilisées par l’industrie, en général, pour améliorer les technologies de production d’hydrogène renouvelable et promouvoir les piles à combustible pour une utilisation commerciale viable, ont déclaré les chercheurs.

Plus précisément, Toma a déclaré qu’elle et son équipe aimeraient tester la photocathode Si/GaN dans une cellule photoélectrochimique à séparation d’eau. Zeng, quant à lui, prévoit d’expérimenter avec des matériaux similaires pour mieux comprendre comment les nitrures contribuent à la stabilité des dispositifs de photosynthèse artificielle, des performances que les chercheurs ne pensaient pas auparavant.

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