OERKOP — Réaction de l’évolution de l’oxygène: la clé pour une oxydation photocatalytique de l'eau optimale

Les réactions électrochimiques se produisant pendant la réaction de photoélectrolyse de l’eau impliquent des transformations physico-chimiques des photoelectrodes dues au transfert de charges à l’interface avec l'électrolyte. La réaction qui décrit l’évolution de l’oxygène (OER) au niveau de la photoanode est le principal obstacle pour un rendement efficace pour la production d’hydrogène par la photoélectrolyse de l’eau. OERKOP vise à comprendre les mécanismes de l’OER, au-delà de l’état de l’art, pour les photoanodes à base des oxydes métalliques :Fe2O3 et BiVO4 activées catalytiquement avec des films catalytiques oxyhydroxydes (M-OOH, avec M = Fe, Ni, Co, Cu, Zn). D’une part, l’augmentation de l’électronégativité (de Fe à Zn) permettra de varier les sites actifs impliqués dans l’OER et, par conséquent, les produits intermédiaires de la réaction et la cinétique de surface. D’autre part, Fe2O3 et BiVO4 présentent des valeurs significativement différentes du libre parcours moyen des trous, ce qui nous permettra de confronter la conduction électrique en volume à la cinétique de surface pendant l’OER. À cette fin, on propose une approche operando corrélative combinant des techniques de microscopie multi-échelles et multi-sélectives – la microscopie de rayons X en transmission (STXM) et la microscopie électronique en transmission (STEM). Ces techniques vont utiliser une cellule photoélectrochimique commune dédiée. Le STXM permettra de mesurer la composition et la coordination chimique à une échelle nanométrique des interfaces oxyde métallique/catalyseur oxyhydroxyde et photoanode/électrolyte. La microscopie STEM complémentera la limite de résolution du STXM (~50 nm) et permettra de quantifier la structure et la morphologie à l’échelle de 10 nm. Les calculs DFT permettront de discerner les réactions en fonction de différents sites photocatalytiques. Le projet est articulé autour de huit axes, couvrant la totalité des aspects scientifiques du projet, de la croissance de photoanodes jusqu’à la mise en place de la méthodologie d’analyse de données. Chaque tâche sera coordonnée par un responsable identifié. Plusieurs risques ont été identifiés et des solutions alternatives sont proposées à chaque fois si possible à ce stade. OERKOP vise finalement le succès d'une économie circulaire basée sur des technologies « bas carbone », utilisant des matériaux abondants, respectueux de l’environnement et recyclables. OERKOP sera le tremplin pour la mise à jour et le développement des méthodes d’ingénierie appropriées visant l’amélioration des photoanodes pour une réaction de photoélectrolyse optimale.