L'hydrogène (H₂) est un carburant prometteur et un bon moyen pour stocker les énergies renouvelables, et les restituer ultérieurement avec une empreinte carbone nulle par combustion avec de l'oxygène moléculaire (O₂) au sein de piles à combustibles : la réaction ne produit que de l'eau! L'hydrogène vert peut ainsi être produit à partir d'eau et l'énergie solaire dans un processus imitant la photosynthèse. La durabilité de cette technologie à venir repose toutefois sur le développement de nouveaux matériaux à la fois actifs, stables et basés sur des éléments abondants et bon marché. Dans le cadre de l'initiative « Make Our Planet Great Again », les chercheurs de notre laboratoire [collaboration] ont fait un pas de plus dans la préparation d'une photo-électrode durable pour la production d'hydrogène. Elle repose sur une architecture hybride, basée sur un semi-conducteur de type P qui absorbe la lumière, interfacé avec un catalyseur moléculaire. L'ensemble ne renferme que des éléments non toxiques et abondant dans la croûte terrestre.

La stratégie suivie utilise un oxyde mixte de fer et de cuivre semiconducteur pour absorber la lumière visible (cercle vert sur la figure 1) et générer un flux d'électrons depuis l'électrode où il est déposé jusqu'à sa surface avec une solution aqueuse. Ce matériau, composé uniquement de métaux abondant, a été protégé par une fine couche d'oxyde de titane (TiO₂) amorphe via le procédé de dépôt en couches atomiques (ALD). Cette fine couche de TiO₂ (<10 nm) empêche la corrosion de l'oxyde mixte tout en permettant le transfert d'électrons vers un catalyseur moléculaire, une cobaloxime (CoHEC, cercle rouge sur la figure 1), greffé à sa surface dans la continuité des études précédentes de l'équipe.

Figure 1 : Schéma du cheminement des électrons sur la photocathode hybride CuFe_xO_y|TiO₂-CoHEC.

La collaboration avec des chercheurs de l'institut Néel et de l'EPFL a permis une caractérisation détaillée de l'architecture de cette photoélectrode et une meilleure compréhension de ses performances. Cette photo-électrode hybride est ainsi capable de produire de l'hydrogène à partir de solutions aqueuses lorsqu'on lui applique un potentiel beaucoup plus positif (> 700 mV contre RHE, figure 2) que ce que la thermodynamique demande pour l'électrolyse de l'eau. Cette valeur permet de quantifier la capacité du système à stocker l'énergie solaire sous forme d'hydrogène. Un autre paramètre important est le photocourant généré qui quantifie lui la fraction des photons réellement convertis et donc la vitesse de production d'hydrogène. Globalement, les performances de cette architecture hybride se comparent bien avec celles d'autres systèmes récemment décrits à base de silicium ou d'oxydes de cuivre.

Figure 2 : Voltammogrammes à balayage linéaire montrant le déplacement de la vague de production d’hydrogène catalysée par CoHEC suite au photopotentiel généré au niveau du semiconducteur CuFe_xO_y-CoHEC.

Les travaux futurs viseront à améliorer les performances de la photocathode et à l'intégrer dans un système photo-électrochimique complet, comportant une photoanode capable de produire des électrons et des protons à partir d'eau et d'une partie complémentaire du spectre solaire pour effectuer une production autonome d'hydrogène solaire.