Une équipe de recherche développe une nouvelle photoélectrode haute performance utilisant un réseau de nanopagodes d’oxyde de zinc

Une équipe de recherche composée de membres de l’Institut égyptien de recherche pétrolière et du Laboratoire d’ingénierie des matériaux fonctionnels de l’Université de technologie de Toyohashi a développé une nouvelle photoélectrode haute performance en construisant un réseau de nanopagodes d’oxyde de zinc de forme unique sur une électrode transparente et en appliquant nanoparticules d’argent à sa surface.

La nanopagode d’oxyde de zinc se caractérise par de nombreuses structures en gradins, car elle comprend des empilements de prismes hexagonaux de tailles différentes. De plus, il présente très peu de défauts cristallins et une excellente conductivité électronique. En décorant sa surface avec des nanoparticules d’argent, la photoélectrode à réseau de nanopagodes d’oxyde de zinc acquiert des propriétés d’absorption de la lumière visible, lui permettant de fonctionner sous l’irradiation du soleil.

La division photoélectrochimique de l’eau à l’aide de la lumière solaire devrait être utilisée comme technologie pour produire de l’énergie propre sous forme d’hydrogène. En tant que matériaux clés pour cette technologie, les photoélectrodes doivent avoir un faible surpotentiel contre les réactions de division de l’eau, en plus d’une efficacité élevée d’absorption solaire et de transfert de charge.

Pour une applicabilité pratique, cette technologie ne peut pas utiliser de métaux rares comme matières premières et le processus de fabrication doit être industrialisé ; cependant, les matériaux répondant à ces exigences n’ont pas encore été développés.

En conséquence, l’équipe de recherche s’est uniquement concentrée sur le réseau de nanopagodes d’oxyde de zinc, car ces réseaux sont peu coûteux à produire, présentent une conductivité électronique élevée et ne sont pas vulnérables à l’épuisement des matières premières. Initialement, les réseaux de nanopagodes d’oxyde de zinc étaient considérés comme difficiles à fabriquer avec une bonne reproductibilité.

Dirigé par Marwa Abouelela, doctorante de troisième année et auteur principal de l’article publié dans Communications en électrochimie—l’équipe a d’abord optimisé le processus de synthèse pour garantir une reproductibilité élevée. Lorsque les propriétés photoélectrochimiques de la photoélectrode obtenue ont été évaluées, un photocourant relativement important a été observé émerger sous une pseudo-irradiation solaire.

En plus de l’efficacité élevée du transfert de charge associée à une faible densité de défauts et à une activité de réaction chimique de surface élevée dans de nombreuses étapes, une analyse du champ électromagnétique a révélé que la nanostructure unique de la nanopagode peut capturer efficacement les rayons ultraviolets contenus dans la lumière incidente.

Pour garantir l’utilisation efficace de la lumière visible, qui représente 55 % de la lumière solaire, l’équipe de recherche a encore amélioré les propriétés photoélectrochimiques en décorant la surface de la nanopagode d’oxyde de zinc avec des nanoparticules d’argent qui présentent une résonance plasmonique de surface localisée, augmentant le photocourant d’environ 1,5 fois. .

Le spectre d’action de la valeur du photocourant indique que cette amélioration est principalement attribuée au transfert d’électrons chauds provoqué par l’absorption de la lumière visible par la résonance plasmonique de surface localisée des nanoparticules d’argent. En optimisant l’application des nanoparticules d’argent, il est devenu possible d’améliorer uniquement les propriétés photoélectrochimiques tout en évitant les effets néfastes sur les propriétés de la nanopagode elle-même.

Le professeur agrégé Go Kawamura, l’un des auteurs correspondants, a déclaré : « Les nanopagodes d’oxyde de zinc ont été envisagées pour une application uniquement aux émetteurs de canons à électrons, en utilisant leur efficacité élevée de transfert de charge. Cependant, comme la structure comporte de nombreuses étapes, notre idée initiale était qu’elle est très actif contre les réactions chimiques de surface et peut convenir pour catalyser des réactions photoélectrochimiques.

« Après avoir réussi à fabriquer la nanopagode, nous avons cherché à améliorer l’efficacité de l’utilisation de la lumière solaire en appliquant des nanoparticules d’argent qui présentent une résonance plasmonique de surface localisée, et avons évalué l’effet par analyse du champ électromagnétique ; cependant, il a été constaté que la nanopagode d’oxyde de zinc capte la lumière incidente. « 

Perspectives d’avenir

Actuellement, Marwa et les étudiants du même laboratoire mènent une étude sur l’effet du contrôle structurel précis des nanopagodes d’oxyde de zinc, ainsi que de la décoration de surface avec d’autres matériaux, sur les propriétés photoélectrochimiques desdites pagodes. L’oxyde de zinc étant sujet à la photocorrosion, il ne peut pas résister seul à l’irradiation solaire à long terme, ce qui nous amène à nous concentrer sur l’amélioration de la durabilité via la décoration des surfaces.

Après avoir obtenu à la fois des propriétés photoélectrochimiques et une durabilité élevées, l’équipe prévoit de réaliser une production d’hydrogène par séparation de l’eau dans un environnement réel (décomposition de l’eau de rivière ou de l’eau de mer par la lumière du soleil).