Division stable de l'eau solaire avec des matières organiques mouillables

Jun 07, 2024

Nature Communications volume 13, Numéro d'article : 4460 (2022) Citer cet article

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Les couches de protection sont essentielles aux photocathodes à base de Si pour obtenir une stabilité à long terme. Les couches protectrices inorganiques conventionnellement utilisées, telles que le TiO2, doivent être exemptes de trous d'épingle pour isoler le Si de la solution corrosive, ce qui nécessite des techniques de dépôt de très haute qualité. D’un autre côté, les couches protectrices hydrophobes organiques souffrent du compromis entre densité de courant et stabilité. Cet article décrit la conception et la fabrication d’une couche protectrice organique hybride discontinue avec une mouillabilité de surface contrôlable. La couche hydrophobe sous-jacente induit la formation de fines couches de gaz au niveau des pores discontinus pour isoler l'électrolyte du substrat en Si, tout en permettant au co-catalyseur Pt d'entrer en contact avec l'électrolyte pour la division de l'eau. Pendant ce temps, la surface de cette couche organique est modifiée avec des groupes hydroxyles hydrophiles pour faciliter le détachement des bulles. La photocathode optimisée atteint un photocourant stable de 35 mA/cm2 pendant plus de 110 h sans tendance à la décroissance.

La conversion de l'énergie solaire en combustibles chimiques, comme l'hydrogène, est un moyen durable de résoudre les problèmes énergétiques et environnementaux1. Le silicium (Si)2, divers oxydes métalliques3 et les semi-conducteurs III-V4,5 ont été étudiés pour la division photoélectrochimique (PEC) de l'eau. Parmi eux, le Si est l’un des candidats les plus attrayants pour la réaction de dégagement d’hydrogène (HER) PEC en raison de son faible coût, de sa bande interdite appropriée et de sa position au bord de la bande6. Cependant, le Si est susceptible d'être désactivé dans les solutions aqueuses7,8,9. Pour construire une photocathode stable à base de Si, la stratégie dominante consiste à introduire une couche métallique compacte ou une couche d'oxyde métallique par pulvérisation cathodique10 ou dépôt de couche atomique (ALD)11 sur la surface du Si pour isoler le Si de l'électrolyte. Ainsi, cette couche protectrice compacte doit être transparente12, conductrice13 et chimiquement stable14 pour permettre une photocathode durable et efficace15. Les films de TiO2 formés par ALD ont été largement utilisés comme couches protectrices pour les électrodes PEC16,17,18. Cependant, TiO2 deviendra instable à des potentiels très négatifs19 ou sous un éclairage UV20. Parallèlement, des études antérieures ont montré que le TiO2 cultivé par ALD nécessitait une épaisseur minimale de 50 nm pour devenir exempt de piqûres au sens strict, en raison de la présence de particules atmosphériques sur le substrat dans un environnement de laboratoire normal21,22,23,24, 25. De plus, une corrosion par piqûre correspondant à des trous d’épingle a également été démontrée26. Ainsi, la stratégie d’isolation traditionnelle qui nécessite une couche sans piqûres impose une limitation sur la sélection des matériaux et la méthode de dépôt. Par conséquent, il est nécessaire de développer des stratégies27 susceptibles de diminuer le contact Si-liquide avec une tolérance acceptable pour les piqûres dans la couche protectrice.

En plus d'isoler le substrat Si de l'électrolyte avec une couche protectrice dense, il est également possible de diminuer le contact Si-liquide en augmentant l'hydrophobie du Si pour retarder le transport des liquides près de la surface28, ce qui pourrait diminuer le taux de corrosion29,30. . Cependant, la diminution du contact Si-liquide diminuera également la zone active pour les réactions de division de l'eau. De plus, des études antérieures ont observé que la plupart des couches hydrophobes étaient peu conductrices, tandis que les électrodes hydrophobes présentaient des activités HER considérablement réduites par rapport aux électrodes mouillables. Les mauvaises performances des électrodes hydrophobes pourraient être attribuées au fait qu'une grande quantité de gaz se développerait en grosses bulles à la surface pendant le HER35,36,37, ce qui provoquerait une chute de courant due au recouvrement des sites actifs du HER. catalyseurs38. Par conséquent, il est hautement souhaité, mais toujours difficile, d’utiliser une couche hydrophobe comme couche protectrice tout en empêchant les bulles de recouvrir les cocatalyseurs afin d’obtenir des réactions de surface efficaces.