Un système photoélectrochimique évolutif pour la production d'hydrogène vert.

10 février 2024 feature

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par Ingrid Fadelli, Tech Xplore

Si l'énergie solaire ou une autre source d'énergie renouvelable est utilisée, la division de l'eau pourrait être un moyen prometteur de produire de l'hydrogène (H2) de manière durable à grande échelle. Jusqu'à présent, la plupart des systèmes de division photoélectrochimique de l'eau proposés se sont révélés inefficaces, instables ou difficiles à mettre en œuvre à grande échelle.

Des chercheurs de l'Institut national de la science et de la technologie d'Ulsan (UNIST) se sont récemment lancés dans le développement d'un système photoélectrochimique (PEC) extensible et efficace pour produire de l'hydrogène vert. Leur système proposé, décrit dans Nature Energy, est basé sur une photoanode en pérovskite à base de triiodure de plomb de formamidinium (FAPbI3), encapsulée par un électrocatalyseur en feuille de Ni/ NiFeOOH.

« Notre groupe a étudié en détail les défis liés à la production pratique d'hydrogène solaire », a déclaré Jae Sung Lee, professeur de génie de l'énergie et de la chimie à l'UNIST et coauteur de l'article, à Tech Xplore. « Comme résumé dans notre article de revue le plus récent, une efficacité minimale de conversion de l'énergie solaire en hydrogène (STH) de 10% est nécessaire pour développer un système PEC pratique viable, pour lequel la sélection d'un matériau efficace est le premier critère. »

Jusqu'à présent, la plupart des tentatives de production d'hydrogène photoélectrochimique ont utilisé des oxydes métalliques intrinsèquement stables comme matériaux photoélectrodes de cellules PEC. Cependant, ces systèmes ont donné des rendements bien inférieurs à ceux nécessaires pour leur application pratique.

Certains chercheurs ont ainsi exploré le potentiel de photoélectrodes basées sur des matériaux de qualité photovoltaïque (PV), tels que le silicium, les pérovskites, les chalcogénures et les classes de matériaux III-V. Bien que ces matériaux soient connus pour leur efficacité remarquable, ils peuvent parfois être coûteux et instables, notamment s'ils sont placés dans l'eau, comme ce serait le cas s'ils étaient introduits dans des cellules de division photoélectrochimique de l'eau.

« Contrairement à d'autres matériaux de qualité PV, les pérovskites à base d'halogénure métallique (MHP) ont des caractéristiques uniques d'efficacité élevée mais à faible coût et pourraient devenir un matériau alternatif pour les photoélectrodes si leur problème de stabilité est correctement résolu », a déclaré Lee. « Les matériaux MHP présentent d'excellentes propriétés optoélectroniques et une bande interdite réglable qui sont souhaitées pour fournir le courant et la tension photovoltaïques nécessaires pour diviser l'eau et produire de l'oxygène et de l'hydrogène dans une seule cellule PEC. »

Pour concevoir des photoélectrodes efficaces à base de MHP, les chercheurs ont d'abord dû relever un défi crucial, à savoir maintenir leur stabilité dans des conditions humides et sous lumière UV. Pour y parvenir, ils ont tenté de les stabiliser en utilisant des techniques d'encapsulation ou de protection métallique et en adoptant la pérovskite FAPbI3 stable aux UV.

« Un autre défi pour les applications pratiques est la scalabilité, autrement dit, maintenir l'efficacité élevée des cellules de laboratoire (qui font < 1 cm2) dans des mises en œuvre pratiques à grande échelle (1 m2) », a déclaré Lee. « Pour notre étude, nous avons sélectionné le matériau MHP le plus avancé en termes d'efficacité et de stabilité (FAPbI3) et l'avons encapsulé avec une feuille épaisse de nickel (30 mm) déposée avec un catalyseur NiFeOOH pour protéger le MHP dans l'eau et favoriser la réaction d'évolution de l'oxygène pour la division de l'eau. »

Les chercheurs ont d'abord créé une version à petite échelle de leur système proposé, basée sur une photoélectrode de moins de 1 cm2. Lors de tests initiaux, ce système à l'échelle du laboratoire a atteint une efficacité STH de 9,89% et une stabilité à long terme.

« Nous avons ensuite mis à l'échelle ce dispositif de petite taille pour obtenir un système PEC à grande échelle pratique en utilisant une conception basée sur des modules », a déclaré Lee. « Nous avons fait cela en sélectionnant un dispositif de 7,68 cm2 comme mini-module de base et en le répétant horizontalement et verticalement pour fabriquer un dispositif de grande taille. »

De manière remarquable, Lee et ses collègues ont constaté que l'agrandissement de leur système n'entraînait qu'une perte minimale d'efficacité. De plus, le système agrandi a conservé sa stabilité à long terme, ce qui suggère que leur conception est hautement scalable.

« Notre système PEC tout en pérovskite est composé d'une photoanode FAPbI3, qui est un film mince MHP protégé à l'aide d'une feuille métallique de nickel en tant que couche d'encapsulation et de NiFeOOH en tant que couche de catalyseur », a déclaré Lee.

'We optimized this photoanode using different metal foils and studied the in-depth catalyst-electrolyte interactions. This photoanode was connected in parallel to another MHP thin film as PV in a single reactor to generate enough voltage (~2 V) to split water molecules into O2 and H2 gases. In a large scale system, both components (photoanode and PV) are integrated in single PEC device to simplify the total system by a modular design.'

The researchers' mini-module is essentially made up of a photoelectrode and a PV unit cell, arranged in a 4 x 4 array. Their system integrates multiple components in a single PEC device to eliminate the need for additional PV components.

This unique design reduces their system's complexity and lowers its fabrication costs. Lee and his colleagues demonstrated that their system retains a good performance even when deployed in a larger scale, which could facilitate its future real-world deployment.

'The short-term demonstration of our scalable system will lead toward practical application of PEC technology for green hydrogen production in outdoor conditions,' Lee added. 'We also plan to further improve the efficiency and stability of the PEC system by integration of photoelectrodes and selecting more efficient and durable catalyst. We look [forward to] the opportunity to demonstrate a pilot scale solar hydrogen production system under natural sunlight using our technology.'

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