Spaltning af vand:Nanoskala billeddannelse giver nøgleindsigt

I søgen efter at realisere kunstig fotosyntese for at konvertere sollys, vand, og kuldioxid til brændstof – ligesom planter gør – skal forskere ikke kun identificere materialer for effektivt at udføre fotoelektrokemisk vandopdeling, men også for at forstå, hvorfor et bestemt materiale måske eller måske ikke virker. Nu har forskere ved Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) været banebrydende for en teknik, der bruger billeddannelse i nanoskala til at forstå, hvordan lokal, egenskaber i nanoskala kan påvirke et materiales makroskopiske ydeevne.

Deres studie, "Nanoskalabilleddannelse af ladningsbærertransport i vandopdelingsanoder", er netop blevet offentliggjort i Naturkommunikation . De ledende forskere var Johanna Eichhorn og Francesca Toma fra Berkeley Labs Chemical Sciences Division.

"Denne teknik korrelerer materialets morfologi til dets funktionalitet, og giver indsigt i ladningstransportmekanismen, eller hvordan ladningerne bevæger sig inde i materialet, på nanoskala, sagde Toma, som også er forsker i Joint Center for Artificial Photosynthesis, en Department of Energy Innovation Hub.

Kunstig fotosyntese søger at producere energitæt brændstof ved kun at bruge sollys, vand, og kuldioxid som input. Fordelen ved en sådan tilgang er, at den ikke konkurrerer med fødevarelagrene og vil producere ingen eller lave drivhusgasemissioner. Et fotoelektrokemisk vandopdelingssystem kræver specialiserede halvledere, der bruger sollys til at opdele vandmolekyler i brint og oxygen.

Vismutvanadat er blevet identificeret som et lovende materiale til en fotoanode, som giver ladninger til at oxidere vand i en fotoelektrokemisk celle. "Dette materiale er et eksempel på, hvor effektivitet burde være teoretisk god, men i eksperimentelle test observerer du faktisk meget dårlig effektivitet, " sagde Eichhorn. "Årsagerne til det er ikke helt forstået."

Forskerne brugte fotokonduktiv atomkraftmikroskopi til at kortlægge strømmen på hvert punkt af prøven med høj rumlig opløsning. Denne teknik er allerede blevet brugt til at analysere lokal ladningstransport og optoelektroniske egenskaber af solcellematerialer, men er ikke kendt for at være blevet brugt til at forstå ladningsbærerens transportbegrænsninger på nanoskala i fotoelektrokemiske materialer.

Eichhorn og Toma arbejdede med videnskabsmænd på Molecular Foundry, et videnskabeligt forskningsanlæg i nanoskala ved Berkeley Lab, på disse målinger gennem Støberiets brugerprogram. De fandt ud af, at der var forskelle i ydeevne relateret til materialets morfologi i nanoskala.

"Vi opdagede, at den måde, hvorpå afgifterne bruges, ikke er homogen over hele prøven, men hellere, der er heterogenitet, " sagde Eichhorn. "Disse forskelle i ydeevne kan forklare dens makroskopiske ydeevne - det samlede output af prøven - når vi udfører vandopdeling."

For at forstå denne karakteristik, Toma giver eksemplet med et solpanel. "Lad os sige, at panelet har 22 procent effektivitet, " sagde hun. "Men kan du se på nanoskalaen, på hvert punkt i panelet, at det vil give dig 22 procent effektivitet? Denne teknik giver dig mulighed for at sige, Ja eller nej, specielt til fotoelektrokemiske materialer. Hvis svaret er nej, det betyder, at der er mindre aktive pletter på dit materiale. I bedste tilfælde reducerer det bare din samlede effektivitet, men hvis der er mere komplekse processer, din effektivitet kan reduceres meget."

Den forbedrede forståelse af, hvordan bismuthvanadatet virker, vil også give forskere mulighed for at syntetisere nye materialer, der muligvis kan drive den samme reaktion mere effektivt. Denne undersøgelse bygger på tidligere forskning fra Toma og andre, hvor hun var i stand til at analysere og forudsige den mekanisme, der definerer (foto)kemisk stabilitet af et fotoelektrokemisk materiale.

Toma sagde, at disse resultater satte videnskabsmænd meget tættere på at opnå effektiv kunstig fotosyntese. "Nu ved vi, hvordan man måler lokal fotostrøm i disse materialer, som har meget lav ledningsevne, " sagde hun. "Det næste skridt er at putte alt dette i en flydende elektrolyt og gøre nøjagtig det samme. Vi har værktøjerne. Nu ved vi, hvordan vi skal fortolke resultaterne, og hvordan man analyserer dem, hvilket er et vigtigt første skridt for at komme videre."