Ser mod solen for at skabe brintbrændstof

Da Lawrence Livermore-forskeren Tadashi Ogitsu leasede en brintbrændselscellebil i 2017, han vidste, at hans daglige pendling ville ændre sig for altid. Der kommer ingen drivhusgasser ud af udstødningsrøret, bare en smule vanddamp.

Markedet for brintbiler vokser. Ifølge en nylig rapport fra California Energy Commission og California Air Resources Board, staten er nu hjemsted for 31 brinttankstationer.

Den næste udfordring er at gøre brintbrændstof omkostningseffektivt og bæredygtigt.

"Brint kan produceres fra flere kilder, men den hellige gral skal lave den af ​​vand og sollys, " sagde Ogitsu, en stabsforsker i Quantum Simulations Group ved Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL). Han er også medlem af styregruppen for HydroGEN Advanced Water Splitting Materials Consortium, et Lab-ledet konsortium i Department of Energy's (DOE) Energy Materials Network. Det er fokuseret på brintproduktion fra vand via avanceret høj- og lavtemperaturelektrolyse, samt fotoelektrokemiske og termokemiske solenergiprocesser og styres gennem Fuel Cell Technologies Office of DOE's Office of Energy Efficiency and Renewable Energy (EERE).

En af udfordringerne forbundet med soldrevne vandspaltningsteknologier til brintproduktion er stabiliteten af ​​den enhed, der udfører opgaven. Ved fotoelektrokemisk (PEC) brintproduktion, en sollysopsamlende halvlederfotoabsorber nedsænkes direkte i en vandbaseret elektrolytopløsning. En udfordring er, at mange af de mest effektive fotoabsorberende materialer, såsom silicium og indiumphosphid, er ofte ustabile under PEC-driftsforhold. Dette skyldes i høj grad kemiske reaktioner ved grænsefladen mellem faststof og væske, hvoraf nogle resulterer i materialeoxidation og nedbrydning.

Sammen med kolleger ved Notre Dame University og Lawrence Berkeley National Laboratory, LLNL-forskere har udviklet en integreret teori-eksperimentteknik til at undersøge kemi ved faste/væske-grænseflader. Denne teknik blev anvendt til at forstå oxider dannet på galliumphosphid (GaP) og indiumphosphid (InP) overflader under forhold, der er relevante for PEC-brintproduktion, et første skridt mod at kontrollere disse materialers kemi. Forskningen vises på forsiden af Journal of Physical Chemistry Letters i 4. januar-udgaven.

Ogitsu, Brandon Wood og hovedforfatter Tuan Anh Pham udnyttede de højtydende computeregenskaber på LLNL til at simulere mulige kemiske arter, der kan forekomme på fotoabsorberende overflader i kontakt med vandige medier. Disse arter blev derefter karakteriseret ved spektroskopiske fingeraftryk ved hjælp af kvantemekaniske beregninger.

Forskere fra Notre Dame validerede eksperimentelt beregningerne ved hjælp af state-of-the-art røntgenfotoelektronspektroskopi. Udover at give en detaljeret forståelse af kemi ved grænsefladen mellem faststof og væske, forfatterne undersøgte, hvordan det påvirker halvlederstabiliteten under drift. For eksempel, de opdagede, at sammenlignet med GaP, brintnetværket nær InP overflader er meget mere flydende, letter selvhelbredelse af overfladefejl, der resulterer i forbedret korrosionsbestandighed af InP.

"Den hurtige udvikling inden for beregningsmæssige og eksperimentelle metoder gør det nu muligt at integrere de to direkte på en måde, som vi ikke har set før, " sagde Pham. "Dette giver en ny måde at forstå kemien i meget komplekse grænseflader, som ellers ikke kunne håndteres med en enkelt teknik. Vores arbejde er en køreplan for at undersøge disse typer grænseflader i en bred vifte af energiteknologier."