Denne brintbrændstofmaskine kunne være den ultimative guide til selvforbedring

Tre år siden, forskere ved University of Michigan opdagede en kunstig fotosyntese-enhed lavet af silicium og galliumnitrid (Si/GaN), der udnytter sollys til kulstoffrit brint til brændselsceller med dobbelt effektivitet og stabilitet i forhold til nogle tidligere teknologier.

Nu, forskere ved Department of Energy's (DOE's) Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) – i samarbejde med University of Michigan og Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) – har afsløret en overraskende, selvforbedrende egenskab i Si/GaN, der bidrager til materialets yderst effektive og stabile ydeevne til at omdanne lys og vand til kulstoffri brint. Deres resultater, rapporteret i journalen Naturmaterialer , kunne bidrage radikalt til at fremskynde kommercialiseringen af ​​kunstige fotosynteseteknologier og brintbrændselsceller.

"Vores opdagelse er en ægte game-changer, " sagde seniorforfatter Francesca Toma, en stabsforsker i Chemical Sciences Division ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). Som regel, materialer i solbrændstofsystemer nedbrydes, blive mindre stabil og dermed producere brint mindre effektivt, hun sagde. "Men vi opdagede en usædvanlig egenskab i Si/GaN, som på en eller anden måde gør det muligt for det at blive mere effektivt og stabilt. Jeg har aldrig set en sådan stabilitet."

Tidligere kunstige fotosyntesematerialer er enten fremragende lysabsorbere, der mangler holdbarhed; eller de er holdbare materialer, der mangler lysabsorptionseffektivitet.

Men silicium og galliumnitrid er rigelige og billige materialer, der er meget udbredt som halvledere i dagligdags elektronik såsom LED'er (lysemitterende dioder) og solceller, sagde medforfatter Zetian Mi, en professor i elektro- og computerteknik ved University of Michigan, der opfandt Si/GaN kunstige fotosynteseanordninger for et årti siden.

Da Mi's Si/GaN-enhed opnåede en rekordstor 3 procent sol-til-brint effektivitet, han undrede sig over, hvordan sådanne almindelige materialer kunne fungere så ekstraordinært godt i et eksotisk kunstigt fotosynteseapparat - så han henvendte sig til Toma for at få hjælp.

HydroGEN:At tage en Team Science-tilgang til solbrændstoffer

Mi havde lært om Tomas ekspertise inden for avancerede mikroskopiteknikker til at undersøge nanoskalaen (milliarddele af en meter) egenskaber af kunstige fotosyntesematerialer gennem HydroGEN, et fem-nationalt laboratoriekonsortium støttet af DOE's Hydrogen and Fuel Cell Technologies Office, og ledet af National Renewable Energy Laboratory for at lette samarbejdet mellem National Labs, den akademiske verden, og industri til udvikling af avancerede vandspaltematerialer. "Disse interaktioner mellem at støtte industrien og den akademiske verden om avancerede vandopspaltningsmaterialer med de nationale laboratorier er netop grunden til, at HydroGEN blev dannet - så vi kan flytte nålen på ren brintproduktionsteknologi, " sagde Adam Weber, Berkeley Labs Hydrogen and Fuel Cell Technologies Lab Programleder og co-vicedirektør for HydroGEN.

Toma og hovedforfatter Guosong Zeng, en postdoc i Berkeley Labs Chemical Sciences Division, mistænkt for, at GaN kan spille en rolle i enhedens usædvanlige potentiale for effektivitet og stabilitet i brintproduktion.

At finde ud af, Zeng udførte et fotokonduktivt atomkraftmikroskopi i Tomas laboratorium for at teste, hvordan GaN-fotokatoder effektivt kunne omdanne absorberede fotoner til elektroner, og derefter rekruttere de frie elektroner til at spalte vand til brint, før materialet begyndte at nedbrydes og blive mindre stabilt og effektivt.

De forventede at se et stejlt fald i materialets fotonabsorptionseffektivitet og stabilitet efter blot et par timer. Til deres forbavselse, de observerede en forbedring på 2-3 størrelsesordener i materialets fotostrøm fra små facetter langs "sidevæggen" af GaN-kornet, sagde Zeng. Endnu mere forvirrende var, at materialet havde øget sin effektivitet over tid, selvom den samlede overflade af materialet ikke ændrede sig så meget, sagde Zeng. "Med andre ord, i stedet for at blive værre, materialet blev bedre, " han sagde.

For at samle flere spor, forskerne rekrutterede scanning transmission elektronmikroskopi (STEM) ved National Center for Electron Microscopy i Berkeley Lab's Molecular Foundry, og vinkelafhængig røntgenfotonspektroskopi (XPS).

Disse eksperimenter viste, at et lag på 1 nanometer blandet med gallium, nitrogen, og oxygen - eller galliumoxynitrid - var dannet langs nogle af sidevæggene. En kemisk reaktion havde fundet sted, tilføjelse af "aktive katalytiske steder for hydrogenproduktionsreaktioner, " sagde Toma.

Density functional theory (DFT) simuleringer udført af medforfatterne Tadashi Ogitsu og Tuan Anh Pham ved LLNL bekræftede deres observationer. "Ved at beregne ændringen i fordelingen af ​​kemiske arter på bestemte dele af materialets overflade, vi har med succes fundet en overfladestruktur, der korrelerer med udviklingen af ​​galliumoxynitrid som et hydrogenudviklingsreaktionssted, " sagde Ogitsu. "Vi håber, at vores resultater og tilgang – et tæt integreret teori-eksperiment-samarbejde muliggjort af HydroGEN-konsortiet – vil blive brugt til yderligere at forbedre de vedvarende brintproduktionsteknologier."

Mi tilføjede:"Vi har arbejdet på dette materiale i over 10 år - vi ved, at det er stabilt og effektivt. Men dette samarbejde hjalp med at identificere de grundlæggende mekanismer bag, hvorfor det bliver mere robust og effektivt i stedet for nedværdigende. Resultaterne fra dette arbejde vil hjælpe os med at bygge mere effektive kunstige fotosyntese-enheder til en lavere pris."

Ser frem til, Toma sagde, at hun og hendes team gerne ville teste Si/GaN fotokatoden i en vandspalende fotoelektrokemisk celle, og at Zeng vil eksperimentere med lignende materialer for at få en bedre forståelse af, hvordan nitrider bidrager til stabilitet i kunstige fotosyntese-anordninger - hvilket er noget, de aldrig troede ville være muligt.

"Det var fuldstændig overraskende, " sagde Zeng. "Det gav ikke mening - men Phams DFT-beregninger gav os den forklaring, vi havde brug for for at validere vores observationer. Vores resultater vil hjælpe os med at designe endnu bedre kunstige fotosyntese-enheder."

"Dette var et hidtil uset netværk af samarbejde mellem National Labs og et forskningsuniversitet, " sagde Toma. " HydroGEN-konsortiet bragte os sammen - vores arbejde viser, hvordan National Labs' Team Science-tilgang kan hjælpe med at løse store problemer, der påvirker hele verden."