Kørevandsspaltning for at skabe kemiske brændstoffer

Solen er en rigelig kilde til vedvarende energi, som kan opfanges og omdannes til brugbar elektricitet. Imidlertid, fordi solen ikke altid skinner, forsyningen af ​​energi er ikke kontinuerlig. Vi har brug for en måde at lagre solens energi på, så den kan frigives efter behov i "off"-tider, som om natten og under overskyede forhold.

En mulighed er at bruge solenergi til at drive kemiske reaktioner, der genererer brændstoffer. For eksempel, solenergi kan omdannes til brint - et energitæt og rent brændende brændstof - gennem vandopdeling. For at drive denne reaktion, to elektroder lavet af lysabsorberende halvledende materialer er forbundet og nedsænket i vand. Sollys, der rammer elektroderne, skaber en elektrisk strøm, der deler vand i dets to komponenter:brint og ilt.

"Vi har brug for lave omkostninger, til at få fat på overalt, og miljøvenlige halvledere, der kan absorbere lys over en række bølgelængder og effektivt udføre oxidationen af ​​vand til oxygengas, den mest udfordrende del af reaktionen, " forklarede Mingzhao Liu, en stabsforsker i Interface Science and Catalysis Group i Center for Functional Nanomaterials (CFN) ved det amerikanske energiministeriums (DOE) Brookhaven National Laboratory. "Når de udsættes for ilt, halvledere kan let blive korroderede."

For eksempel, silicium, den halvleder, der typisk bruges i solceller, korroderer hurtigt, når de udsættes for ilt. Titandioxid har vist høj stabilitet og elektrisk ledningsevne, men det absorberer kun ultraviolet (UV) lys, som kun udgør omkring seks procent af al solstråling modtaget på Jordens overflade. En anden lovende kandidat er vismutvanadat. Lavet af vismut, vanadium, og oxygen (BVO), denne gulfarvede, ugiftigt materiale har høj stabilitet og kan absorbere både UV og synligt lys. Imidlertid, det er en dårlig leder af elektricitet, begrænser dens sol-til-brint konverteringseffektivitet.

I løbet af de sidste par år, Liu har stået i spidsen for en indsats for at dyrke højkvalitets BVO og forbedre dens ydeevne til solvandsspaltning. Som Liu forklarede, BVO er et kompliceret materiale, fordi det er lavet af to forskellige metaller og ilt. Hvis forholdet mellem atomer ikke nøjagtigt er en til en, defekter kan utilsigtet indføres. Disse defekter gør det vanskeligt at studere materialets sande egenskaber og opdage dets iboende begrænsninger.

For at skabe tynde film af BVO med en høj renhed og krystallinsk struktur, Liu har brugt pulserende laseraflejring. I denne teknik, en fokuseret UV-laser opvarmer et målmateriale med den ønskede grundstofsammensætning inde i et vakuumkammer. Fordi laserimpulsernes energi er meget intens, atomer på overfladen af ​​målmaterialet fordamper og kondenserer på et substrat for at danne en tynd film.

"Når vi har et defektfrit krystallinsk materiale, så kan vi spørge hvordan kan vi forbedre det?" sagde Liu.

I en undersøgelse offentliggjort tidligere i år, Liu, CFN-kolleger, og teoretikere fra University of California (UC), Santa Cruz, undersøgt, hvordan den elektriske ledningsevne af BVO kunne forbedres ved at tilføje små mængder af andre materialer til det (en proces kendt som doping) via pulseret laseraflejring. Teoretikernes elektroniske strukturberegninger indikerede, at lithium ville være et ideelt dopingmiddel at teste eksperimentelt; lithium ville nemt bidrage med en elektron til systemet ved stuetemperatur og være lille nok til at passe ind i hulrum i gitteret uden at påvirke dets struktur væsentligt.

Efter syntetisering af BVO tynde film dopet med en optimal mængde lithium, holdet gennemførte en række elektron- og røntgenbaserede karakteriseringsundersøgelser ved CFN og Brookhavens National Synchrotron Light Source II (NSLS-II). Disse undersøgelser bekræftede filmens renhed og manglen på gitterforvrængninger efter lithium-doping. Derefter, holdet målte de elektroniske transportegenskaber og fotoelektrokemiske ydeevne af den lithium-dopede BVO. Ifølge disse eksperimenter, lithium-doping øgede BVO's ledningsevne med næsten to størrelsesordener og dets vandoxidationsaktivitet med 20 procent, sammenlignet med ren BVO.

"Teoriforudsigelse og eksperimentel validering går hånd i hånd for hurtigt at skabe nye materialer til energiomdannelse, " sagde Yuan Ping, en adjunkt i kemi- og biokemiafdelingen og hovedefterforsker i Ping-gruppen ved UC Santa Cruz.

I en anden nylig undersøgelse, Liu og samarbejdspartnere fra University of Chicago og University of Wisconsin-Madison undersøgte virkningen af ​​ilt ledige stillinger på den elektroniske struktur og transportegenskaber af BVO i dens mest energimæssigt stabile orientering. Som Liu forklarede, steder i gitteret, hvor der mangler ilt, er iboende for oxidmaterialer, også uden doping. Ved hjælp af beregningsmetoder, holdet skabte en strukturel model af BVO og validerede denne model ved at sammenligne beregnede og eksperimentelle elektroniske tilstande. Deres resultater antydede, at ilttomheder i materialets bulk (inde i) bidrager til ledningsevnen, mens dem ved overfladen ikke og faktisk kan hindre ledningsevnen.

"Oiltmængerne ved overfladen virker mere som ladningsfælder, " sagde Liu. "Når anklagerne går der, de bliver lokaliserede og sidder fast."

Opfølgende undersøgelser er nødvendige for at forstå, hvordan ilttomheder på overfladen og deres tendens til at immobilisere ladninger påvirkes, når BVO nedsænkes i vand og arbejder sammen med en co-katalysator for at forbedre ladningsoverførslen. Forskerne vil undersøge, om overgangsmetaloxider effektivt kan fungere som co-katalysatorer. De vil også undersøge, hvordan aktiviteten af ​​solvandsspaltning afhænger af, hvilken type atomer (vismut eller vanadium), der afslutter overfladelaget.

"I begge undersøgelser, det tætte samarbejde mellem eksperimentalister og teoretikere var nøglen til vores succes, " sagde Liu. "Vi ser frem til at fortsætte disse samarbejder for yderligere at udvide vores forståelse af BVO og identificere mekanismer til at øge dets ydeevne."