L'hydrogène (H₂) est un carburant prometteur et un bon moyen de stockage des énergies renouvelables qu’il restituera ultérieurement par combustion avec de l'oxygène moléculaire (O₂) au sein de piles à combustibles. Mais comment produire de l’hydrogène vert, c’est-à-dire sans empreinte carbone ? Une idée est d’imiter la photosynthèse, qui n’utilise que de l’eau et de l’énergie solaire. 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 institut [collaboration] ont fait un pas de plus vers la préparation d'une photo-électrode durable pour la production d'hydrogène. Cette photo-électrode repose sur une architecture hybride, basée sur un semi-conducteur de type p qui absorbe la lumière et qui est interfacé avec un catalyseur moléculaire. L'ensemble ne renferme que des éléments non toxiques et retrouvés en quantité abondante dans la croûte terrestre.

La stratégie suivie consiste à utiliser un oxyde mixte semi-conducteur composé de fer et de cuivre pour absorber la lumière visible (Figure 1) et générer un flux d'électrons depuis l'électrode où il est déposé jusqu'à sa surface. Ce matériau, composé uniquement d’éléments abondamment trouvés sur Terre, a été protégé de la corrosion par une fine couche d'oxyde de titane (TiO₂) amorphe (non cristalline) de moins de 10 nm d’épaisseur qui a été déposée par Atomic Layer Deposition (ALD), un procédé de référence utilisé pour déposer des films très minces. Cette fine couche de TiO₂ permet également le transfert d'électrons vers un catalyseur moléculaire, une cobaloxime (Figure 1) greffée à sa surface. Ce catalyseur et son greffage ont été précédemment mis au point et décrits par ces chercheurs.


Schéma du cheminement des électrons au sein de la photo-cathode hybride CuFe_xO_y|TiO₂-CoHEC.

La collaboration avec des chercheurs de l'institut Néel et de l'EPFL a permis d'entreprendre une caractérisation détaillée de l'architecture de cette photo-électrode hybride et une meilleure compréhension de ses performances. Cette photo-électrode s'avère capable de produire de l'hydrogène à partir de solutions aqueuses lorsqu'on lui applique un potentiel beaucoup plus positif que ce que demande la thermodynamique pour l'électrolyse de l'eau (Figure 2). Cette valeur permet de quantifier la capacité du système à stocker l'énergie solaire sous forme d'hydrogène. Le photo-courant généré est un autre paramètre important qui quantifie, quant à lui, la fraction des photons réellement convertis et donc la vitesse de production d'hydrogène. Globalement, le photo-courant généré et la valeur du potentiel d’apparition de ce photo-courant confèrent à cette architecture hybride des performances très prometteuses qui 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 photo-potentiel généré au niveau du semi-conducteur CuFe_xO_y-CoHEC. (RHE : Reversible Hydrogen Electrode)

Les travaux futurs viseront à améliorer les performances de la photo-cathode et à l'intégrer dans un système photo-électrochimique complet. Ce système comportera une photo-anode capable de produire des électrons et des protons à partir d'eau, en utilisant une partie complémentaire du spectre solaire, afin d'effectuer une production autonome d'hydrogène solaire.