PhotoElectrochimie – Wikipedia wiki
Branche de la chimie physique
Photoélectrochimie est un sous-champ d’étude au sein de la chimie physique concernée par l’interaction de la lumière avec les systèmes électrochimiques. [d’abord] [2] Il s’agit d’un domaine d’investigation actif. L’un des pionniers de ce domaine de l’électrochimie a été l’électrochimiste allemande Heinz Gerischer. L’intérêt pour ce domaine est élevé dans le contexte du développement de la conversion et de la technologie de stockage des énergies renouvelables.
Approche historique [ modifier ]]
La photoélectrochimie a été étudiée de manière intensive dans les années 1970-80 en raison de la première crise pétrolière de pointe. Étant donné que les combustibles fossiles ne sont pas renouvelables, il est nécessaire de développer des processus pour obtenir des ressources renouvelables et utiliser de l’énergie propre. La photosynthèse artificielle, la division photoélectrochimique de l’eau et les cellules solaires régénératives sont particulièrement intéressantes dans ce contexte. L’effet photovoltaïque a été découvert par Alexandre Edmond Becquerel.
Heinz Gerischer, H. Tributsch, AJ. Nozik, AJ. Bard, A. Fujishima, K. Honda, PE. Laibinis, K. Rajeshwar, TJ Meyer, pv. Kamat, N.S. Lewis, R. Memming, John Bockris sont des chercheurs qui ont beaucoup contribué au domaine de la photoélectrochimie.
Électrochimie semi-conducteurs [ modifier ]]
Introduction [ modifier ]]
Les matériaux semi-conducteurs ont des lacunes de bande d’énergie et généreront une paire d’électrons et de trou pour chaque photon absorbé si l’énergie du photon est plus élevée que l’énergie de bande interdite du semi-conducteur. Cette propriété des matériaux semi-conducteurs a été utilisée avec succès pour convertir l’énergie solaire en énergie électrique par des dispositifs photovoltaïques.
Dans la photocatalyse, la paire d’électrons-trous est immédiatement utilisée pour entraîner une réaction redox. Cependant, les paires d’électrons-trous souffrent d’une recombinaison rapide. Dans la photoélectrocatalyse, un potentiel différentiel est appliqué pour diminuer le nombre de recombinations entre les électrons et les trous. Cela permet une augmentation du rendement de la conversion de la lumière en énergie chimique.
Interface semi-conducteur-électrolyte [ modifier ]]
Lorsqu’un semi-conducteur entre en contact avec un liquide (espèce redox), pour maintenir l’équilibre électrostatique, il y aura un transfert de charge entre le semi-conducteur et la phase liquide si le potentiel redox formel des espèces redox se trouve à l’intérieur de la bande interdite de semi-conducteur. À l’équilibre thermodynamique, le niveau de Fermi de semi-conducteur et le potentiel redox formel des espèces redox sont alignés à l’interface entre les espèces semi-conductrices et redox. Cela introduit une flexion de bande ascendante dans un semi-conducteur de type N pour la jonction semi-conducteurs / liquide de type N (figure 1 (a)) et une pliage de bande vers le bas dans un semi-conducteur de type P pour un semi-conducteur / liquide de type P (figure 1 (b)). Cette caractéristique des jonctions semi-conducteurs / liquides est similaire à une jonction semi-conducteur / métal rectifiante ou une jonction Schottky. Idéalement pour obtenir de bonnes caractéristiques de rectification à l’interface semi-conducteur / liquide, le potentiel redox formel doit être proche de la bande de valence du semi-conducteur pour un semi-conducteur de type N et proche de la bande de conduction du semi-conducteur pour un semi-conducteur de type P. La jonction semi-conducteur / liquide a un avantage sur la jonction semi-conducteur / métal rectifiante en ce que la lumière est capable de se rendre à la surface du semi-conducteur sans beaucoup de réflexion; tandis que la majeure partie de la lumière est réfléchie de la surface métallique à une jonction semi-conducteur / métal. Par conséquent, les jonctions semi-conducteurs / liquides peuvent également être utilisées comme dispositifs photovoltaïques similaires aux dispositifs de jonction P – N à l’état solide. Les jonctions de type N de type N et de type P peuvent être utilisées comme dispositifs photovoltaïques pour convertir l’énergie solaire en énergie électrique et sont appelées cellules photoélectrochimiques. De plus, une jonction semi-conducteur / liquide pourrait également être utilisée pour convertir directement l’énergie solaire en énergie chimique en vertu de la photoélectrolyse à la jonction semi-conducteur / liquide.
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Figure 1 (a) Diagramme de bande de la jonction semi-conducteur / liquide de type N
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Figure 1 (b) Diagramme de bande du semi-conducteur / jonction liquide de type P
Montage expérimental [ modifier ]]
Les semi-conducteurs sont généralement étudiés dans une cellule photoélectrochimique. Différentes configurations existent avec un périphérique à trois électrodes. Le phénomène pour étudier se produit à l’électrode de travail, nous, alors que le potentiel différentiel est appliqué entre l’électrode de référence et une électrode de référence (Calomel saturé, AG / AGCL). Le courant est mesuré entre le WE et la contre-électrode CE (carbone vitreux, gaze platine). L’électrode de travail est le matériau semi-conducteur et l’électrolyte est composé d’un solvant, d’un électrolyte et d’une espèce redox.
Une lampe UV-Vis est généralement utilisée pour éclairer l’électrode de travail. La cellule photoélectrochimique est généralement fabriquée avec une fenêtre de quartz car elle n’absorbe pas la lumière. Un monochromateur peut être utilisé pour contrôler la longueur d’onde envoyée au WE.
Absorbants principaux utilisés dans la photoélectrochimie [ modifier ]]
Semi-conducteur IV [ modifier ]]
C (Diamond), Si, GE, sic, sige
Semi-conducteur III-V [ modifier ]]
BN, BP, BAS, ALN, ALP, ALAS, GAN, GAP, GAAS, INN, INAS …
Semi-conducteur II-VI [ modifier ]]
CDS, CDSE, CDTE, ZNO, ZNS, ZNSE, ZNTE, MOS 2 , Moïse 2 , Mote 2 , Ws 2 . WSE 2
Oxydes métalliques [ modifier ]]
Ce 2 , Fe 2 O 3 , Avec 2 O
Colorants organiques [ modifier ]]
Bleu de méthylène…
Colorants organométalliques [ modifier ]]
Pérovskites [ modifier ]]
Applications [ modifier ]]
Diffusion de l’eau photoélectrochimique [ modifier ]]
La photoélectrochimie a été étudiée intensivement dans le domaine de la production d’hydrogène à partir de l’eau et de l’énergie solaire. Le fractionnement photoélectrochimique de l’eau a été découverte historiquement par Fujishima et Honda en 1972 sur Tio 2 électrodes. Récemment, de nombreux matériaux ont montré que les propriétés prometteuses se divisent efficacement de l’eau mais TIO 2 Reste bon marché, abondant, stable contre la photo-corrosion. Le principal problème de Tio 2 est sa bande interdite qui est de 3 ou 3,2 eV selon sa cristallinité (anatase ou rutile). Ces valeurs sont trop élevées et seule la longueur d’onde dans la région UV peut être absorbée. Pour augmenter les performances de ce matériau à diviser l’eau avec une longueur d’onde solaire, il est nécessaire de sensibiliser le TIO 2 . Actuellement, la sensibilisation des points quantiques est très prometteuse, mais davantage de recherches sont nécessaires pour trouver de nouveaux matériaux capables d’absorber efficacement la lumière.
Réduction photoélectrochimique du dioxyde de carbone [ modifier ]]
La photosynthèse est le processus naturel qui convertit le CO 2 Utilisation de la lumière pour produire des composés d’hydrocarbures tels que le sucre. L’épuisement des combustibles fossiles encourage les scientifiques à trouver des alternatives pour produire des composés d’hydrocarbures. La photosynthèse artificielle est une méthode prometteuse imitant la photosynthèse naturelle pour produire de tels composés. La réduction photoélectrochimique du CO 2 est beaucoup étudié en raison de son impact mondial. De nombreux chercheurs visent à trouver de nouveaux semi-conducteurs pour développer des photoodes et des photo-cathodes stables et efficaces.
Cellules régénératives ou cellules solaires sensibilisées au colorant (cellule Graetzel) [ modifier ]]
Les cellules solaires ou DSSC sensibilisées au colorant utilisent TIO 2 et les colorants pour absorber la lumière. Cette absorption induit la formation de paires d’électrons-trous qui sont utilisées pour oxyder et réduire le même couple redox, généralement je – /JE 3 – . Par conséquent, un potentiel différentiel est créé qui induit un courant.
Les références [ modifier ]]
Liens externes [ modifier ]]
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