Cela ressemble à de la magie : des photoélectrodes pourraient reconvertir le gaz à effet de serre CO2 en méthanol ou les molécules de N2 en précieux engrais, en utilisant uniquement l’énergie de la lumière du soleil.
Une étude du HZB a montré que les matériaux diamantés conviennent en principe à de telles photoélectrodes. En combinant les techniques de spectroscopie à rayons X de BESSY II avec d’autres méthodes de mesure, l’équipe de Tristan Petit a réussi pour la première fois à suivre avec précision les processus excités par la lumière ainsi que le rôle crucial de la surface des matériaux diamantés.
À première vue, les diamants cultivés en laboratoire ont peu de points communs avec leurs homonymes dans les bijouteries. Ils sont souvent opaques, sombres et ne semblent pas du tout spectaculaires. Mais même si leur apparence n’est pas impressionnante, ils sont prometteurs dans de nombreuses applications différentes, par exemple dans les implants cérébraux, les capteurs quantiques et les ordinateurs, ainsi que dans les photoélectrodes sans métal pour la conversion photo-électrochimique de l’énergie.
Elles sont entièrement durables et fabriquées uniquement à partir de carbone, elles se dégradent peu dans le temps par rapport aux photoélectrodes à base de métal et elles peuvent être produites industriellement !
Les matériaux diamantés conviennent comme photoélectrodes sans métal car lorsqu’ils sont excités par la lumière, ils peuvent libérer des électrons dans l’eau et déclencher des réactions chimiques difficiles à déclencher autrement. Un exemple concret est la réduction du CO2 en méthanol, qui transforme le gaz à effet de serre en un carburant précieux. Il serait également intéressant d’utiliser des matériaux diamantés pour convertir le N2 en engrais azoté NH3, en utilisant beaucoup moins d’énergie que le procédé Haber-Bosch.
Cependant, les électrodes de diamant s’oxydent dans l’eau et les surfaces oxydées, pensait-on, n’émettent plus d’électrons dans l’eau. De plus, la bande interdite du diamant se situe dans la gamme UV (à 5,5 eV), il est donc peu probable que la lumière visible soit suffisante pour exciter les électrons. Malgré cette attente, des études antérieures ont montré une émission déroutante d’électrons provenant d’une excitation par la lumière visible. Une nouvelle étude du groupe du Dr Tristan Petit à HZB apporte désormais de nouvelles perspectives et donne de l’espoir.
Le Dr Arsène Chemin, chercheur postdoctoral dans l’équipe de Petit, a étudié des échantillons de matériaux diamantés produits à l’Institut Fraunhofer de physique appliquée du solide à Fribourg. Les échantillons ont été conçus pour faciliter la réaction de réduction du CO2 : dopés au bore pour assurer une bonne conductivité électrique et nanostructurés, ce qui leur confère d’immenses surfaces pour augmenter l’émission de porteurs de charge tels que les électrons.
Chemin a utilisé quatre méthodes spectroscopiques à rayons X à BESSY II pour caractériser la surface de l’échantillon et l’énergie nécessaire pour exciter des états de surface électroniques spécifiques. Ensuite, il a utilisé la phototension de surface mesurée dans un laboratoire spécialisé du HZB pour déterminer lesquels de ces états sont excités et comment les porteurs de charge se déplacent dans les échantillons. En complément, il a mesuré la photoémission d’électrons d’échantillons soit dans l’air, soit dans un liquide.
En combinant ces résultats, il a pu pour la première fois dresser un tableau complet des processus qui se déroulent sur les surfaces de l’échantillon après excitation par la lumière.
« Étonnamment, nous n’avons trouvé pratiquement aucune différence dans la photoémission de charges dans le liquide, que les échantillons soient oxydés ou non », explique Chemin. Cela montre que les matériaux diamantés sont bien adaptés à une utilisation dans des solutions aqueuses. Une excitation par la lumière visible est également possible : dans le cas des échantillons dopés au bore, la lumière violette (3,5 eV) est suffisante pour exciter les électrons.
« Ces résultats sont une grande raison d’être optimiste », déclare Chemin : « Avec les matériaux diamantés, nous disposons d’une nouvelle classe de matériaux qui peuvent être explorés et largement utilisés. » De plus, la méthodologie de cette étude est également intéressante : la combinaison de ces différentes méthodes spectroscopiques pourrait également conduire à de nouvelles avancées dans d’autres matériaux semi-conducteurs photoactifs, souligne le physicien.
L’ouvrage est publié dans la revue Petites méthodes.
Plus d’information:
Arsène Chemin et al, Transfert de charge médié par la surface des porteurs photogénérés dans le diamant, Petites méthodes (2023). DOI : 10.1002/smtd.202300423