Dans le cadre d’une collaboration entre le Laboratoire de Chimie et Biologie des Métaux (LCBM, Université Grenoble Alpes/CNRS/CEA), le Laboratoire d’Innovation en Chimie des Surfaces et Nanosciences (LICSEN, Université Paris Saclay/CNRS/CEA) et l’Institut des Sciences Analytiques (ISA, CNRS/Université Claude Bernard Lyon 1), le groupe Surfaces de l’ISA contribue au développement et à l’optimisation de photocathodes à colorant pour la production d’hydrogène. L’analyse de surface par ToF-SIMS s’est révélée cruciale pour caractériser la co-adsorption d’un catalyseur de cobalt et d’un colorant organique sur un film semi-conducteur de NiO et pour identifier post-operando les modes de décomposition de cette photocathode moléculaire, permettant d’ouvrir la voie à l’optimisation de cette technologie d’avenir pour la conversion de l’énergie solaire en hydrogène.
La conversion et le stockage de l’énergie solaire sous la forme de combustibles comme l’hydrogène apparait comme une voie prometteuse pour s’affranchir des carburants fossiles dans le cadre de la transition écologique. La mise au point de procédés de photolyse de l’eau performants, peu coûteux et intégrés tels que les cellules photo-électrochimiques à colorant (DS-PEC) fait ainsi l’objet d’efforts de recherche intensifs à l’échelle internationale. Les chercheurs du LCBM relèvent ce défi grâce à des approches de chimie bio-inspirée et de photosynthèse artificielle, en concevant des photocathodes pour la production d’hydrogène intégrant des catalyseurs de cobalt bio-inspirés et des colorants organiques de type « push-pull ».
La construction de ces photocathodes de production d’hydrogène requiert une immobilisation parfaitement contrôlée du colorant et du catalyseur moléculaire sur un matériau d’électrode transparent. Dans cette étude, les chercheurs ont utilisé des films semi-conducteurs de NiO et adopté une stratégie de co-immobilisation, qui permet d’ajuster aisément le ratio entre les deux entités et faciliter la combinaison de diverses structures de colorant et de catalyseur. L’activité photo-électrochimique du système a été mesurée, la production d’hydrogène quantifiée et la formation sous irradiation de l’état Co(I), point d’entrée du cycle catalytique de production d’hydrogène, a été spectroscopiquement caractérisée. De plus, afin d’identifier les mécanismes de dégradation à l’origine de la perte d’activité observée au cours du temps, la caractérisation post-operando de la photocathode a été réalisée.
La spectrométrie de masse d’ions secondaires à temps de vol (ToF-SIMS) est une technique d’analyse d’extrême surface (profondeur d’information limitée à une à quelques monocouches), à très haute sensibilité (ppm) et qui apporte en particulier, grâce à l’analyse en masse, une information moléculaire directe complémentaire à celle obtenue avec les autres techniques d’analyse de surface. Elle a été mise en œuvre pour la première fois pour caractériser une photocathode moléculaire co-greffée avant et après opération ; ceci afin d’identifier les voies de décomposition des composants moléculaires greffés. Son utilisation a permis de révéler la présence d’une quantité significative de colorant et de catalyseur à la surface de l’électrode après deux heures de photo-électrolyse démontrant ainsi que la photoélectrode demeurait toujours active après cette durée de fonctionnement. De plus, les voies de décomposition du colorant d’une part, et de la liaison triazole utilisée pour greffer le catalyseur sur NiO d’autre part, ont également été dévoilées par l’analyse ToF-SIMS ouvrant la voie à une conception optimisée de ces photocathodes en vue de leur intégration dans des cellules photo-électrochimiques à colorant.
Référence : Kaeffer N., Windle C. D., Brisse R., Gablin C., Leonard D., Jousselme B., Chavarot-Kerlidou M., Artero V. Insights into the mechanism and aging of a noble metal free H2-evolving dye-sensitized photocathode, Chemical Science, 2018, 9, 6721-6738 10.1039/C8SC00899J
Contact ISA : didier.leonard(@)isa-lyon.fr – En savoir plus sur le groupe Surfaces