Nouvel outil de microscopie pour la recherche sur l'énergie
La technique permet aux scientifiques d'explorer plus précisément les propriétés des photoélectrodes
Des chercheurs du Helmholtz-Zentrum Hereon, de l'université Helmut Schmidt, du Lawrence Berkeley National Lab et du Helmholtz-Zentrum Berlin ont mis au point une approche prometteuse pour détecter les variations de tension à la surface des photoélectrodes grâce à une nouvelle méthode d'analyse automatisée des données. La méthode présentée dans la revue PRX Energy permet d'effectuer des mesures dites "Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM)" à l'échelle de la milliseconde. Elle permet d'extraire les informations contenues dans chaque pixel d'une image KPFM, ce qui n'était pas possible auparavant. Les connaissances ainsi acquises peuvent contribuer au développement de matériaux plus efficaces et plus stables pour les cellules photoélectrochimiques (PEC).
Représentation schématique de la technique présentée dans l'article. Les auteurs ont mis au point un outil d'analyse pour obtenir la résolution de la sclérose en plaques à l'aide de KPFM.
Hereon/Dr. Sehun Seo
Les PEC sont des cellules qui convertissent la lumière en énergie chimique et favorisent la production durable d'hydrogène et d'autres produits chimiques tels que les carburants. Les photoélectrodes, composants centraux des PEC, sont sensibles à la lumière et constituées de semi-conducteurs. Dans les CPE, les semi-conducteurs absorbent la lumière et génèrent ainsi des porteurs de charge qui alimentent finalement les réactions chimiques. Malgré leur potentiel prometteur, ces systèmes ne se sont pas encore imposés. L'efficacité avec laquelle ils peuvent convertir la lumière du soleil en hydrogène est encore inférieure aux prévisions théoriques. En outre, leur performance se détériore considérablement avec le temps.
Pour améliorer l'efficacité et la stabilité dans le temps, les chercheurs ont besoin d'instruments fiables. Comme la microscopie à haute résolution pour étudier la structure sous-jacente et ses propriétés (optoélectroniques) liées à la lumière.
Un instrument de microscopie avancé pour la recherche énergétique
L'équipe de chercheurs a mis au point une technologie qui peut s'avérer utile à cet égard. Elle permet d'étudier l'interaction entre la morphologie locale d'une photoélectrode (c'est-à-dire la structure de petites zones à sa surface) et sa dynamique de transport de charge (c'est-à-dire la façon dont les électrons et les trous se déplacent dans un matériau).
La nouvelle approche, présentée par le professeur Francesca M. Toma, auteur principal de l'article et directeur de l'Institut des matériaux fonctionnels pour le développement durable, consiste à mesurer les minuscules variations de tension qui se produisent dans de petites zones de la surface d'une photoélectrode lorsqu'elle est exposée à la lumière. Les chercheurs ont utilisé leur technique en collaboration avec le Lawrence Berkeley National Lab pour étudier le dioxyde de titane (TiO2), un matériau semi-conducteur couramment utilisé pour fabriquer des photoélectrodes.
"Grâce à notre nouvelle méthode d'analyse automatisée des données, nous pouvons suivre de minuscules variations de tension à la surface d'une photoélectrode, à la milliseconde près, d'une manière qui n'avait jamais été possible auparavant", explique le Dr Mauricio Schieda, auteur principal de l'article. "Le dioxyde de titane est un système simple qui nous a permis de développer cette approche. Il nous a également permis de montrer qu'il est possible de suivre le mouvement des charges sous l'effet de la lumière. Cela nous rapproche de l'amélioration des technologies des carburants solaires."
"J'étais impatiente de comprendre comment la morphologie minuscule d'une photoélectrode affecte la façon dont les charges se déplacent lorsqu'elles sont exposées à la lumière", explique Maryam Pourmahdavi, doctorante à l'université Helmut Schmidt, qui travaille sur le projet à l'institut Hereon et est le premier auteur de l'article. "Cette connaissance est essentielle pour concevoir des cellules photoélectrochimiques plus efficaces et plus durables.
Informer la conception de futures photoélectrodes
Grâce à la technique mise au point, les chercheurs ont acquis de nouvelles connaissances sur le lien entre la structure des petites zones d'une photoélectrode et sa dynamique de transport de charge. La même approche pourrait bientôt être utilisée pour étudier des matériaux autres que le TiO2, ce qui pourrait contribuer au développement de photoélectrodes plus efficaces pour les PEC.
"Ce travail fait suite à des années de progrès réalisés par notre groupe et la communauté pour faire avancer les techniques de microscopie à force atomique afin d'étudier les matériaux photoélectrochimiques, combinées à des approches plus récentes de science des données qui permettent d'extraire de plus en plus d'informations à partir d'une simple image", déclare le professeur Toma. "Maintenant que nous avons démontré le potentiel de la technique sur un système modèle tel que le TiO2, nous sommes prêts à étudier de nombreux autres matériaux et à en découvrir d'autres encore plus efficaces."
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Maryam Pourmahdavi, Mauricio Schieda, Ragle Raudsepp, Steffen Fengler, Jiri Kollmann, Yvonne Pieper, Thomas Dittrich, Thomas Klassen, Francesca M. Toma; "Correlating Local Morphology and Charge Dynamics via Kelvin Probe Force Microscopy to Explain Photoelectrode Performance"; PRX Energy, Volume 4, 2025-6-9
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