Et nærmere kig på potentialet for vandopdeling af solbrændstof

I kampen mod klimaændringer, forskere har søgt efter måder at erstatte fossile brændstoffer med kulstoffrie alternativer såsom brintbrændstof.

En enhed kendt som en fotoelektrisk kemisk celle (PEC) har potentialet til at producere brintbrændstof gennem kunstig fotosyntese, en spirende vedvarende energiteknologi, der bruger energi fra sollys til at drive kemiske reaktioner såsom spaltning af vand til brint og ilt.

Nøglen til en PEC's succes ligger ikke kun i, hvor godt dens fotoelektrode reagerer med lys for at producere brint, men også ilt. Få materialer kan gøre dette godt, og ifølge teorien, et uorganisk materiale kaldet vismutvanadat (BiVO ₄ ) er en god kandidat.

Alligevel er denne teknologi stadig ung, og forskere på området har kæmpet for at lave en BiVO ₄ fotoelektrode, der lever op til sit potentiale i en PEC-enhed. Nu, som rapporteret i journalen Lille , et forskerhold ledet af videnskabsmænd ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) og Joint Center for Artificial Photosynthesis (JCAP), en DOE Energy Innovation Hub, har fået vigtig ny indsigt i, hvad der kan ske på nanoskala (milliarddele af en meter) for at holde BiVO ₄ tilbage.

"Når du laver et materiale, såsom et uorganisk materiale som vismutvanadat, du kan antage, bare ved at se på det med det blotte øje, at materialet er homogent og ensartet hele vejen igennem, " sagde seniorforfatter Francesca Toma, en stabsforsker ved JCAP i Berkeley Labs Chemical Sciences Division. "Men når du kan se detaljer i et materiale på nanoskala, Pludselig er det, du antog var homogent, faktisk heterogent - med en ensemble af forskellige egenskaber og kemiske sammensætninger. Og hvis du vil forbedre effektiviteten af ​​et fotoelektrodemateriale, du skal vide mere om, hvad der sker på nanoskalaen."

Røntgenstråler og simuleringer bringer et klarere billede i fokus

I en tidligere undersøgelse støttet af Laboratory Directed Research and Development-programmet, Toma og hovedforfatteren Johanna Eichhorn udviklede en speciel teknik ved hjælp af et atomkraftmikroskop på Berkeley Labs JCAP-laboratorium til at fange billeder af tyndfilmsvismutvanadat på nanoskala for at forstå, hvordan et materiales egenskaber kan påvirke dets ydeevne i en kunstig fotosynteseanordning. (Eichhorn, som i øjeblikket er ved Walter Schottky Institute ved det tekniske universitet i München i Tyskland, var forsker i Berkeley Labs Chemical Sciences Division på tidspunktet for undersøgelsen.)

Den nuværende undersøgelse bygger på dette banebrydende arbejde ved at bruge et scanningstransmission røntgenmikroskop (STXM) ved Berkeley Labs Advanced Light Source (ALS) (als.lbl.gov/), en synkrotron-brugerfacilitet, at kortlægge ændringer i et tyndfilmshalvledende materiale lavet af molybdænvismutvanadat (Mo-BiVO ₄ ).

Forskerne brugte vismutvanadat som et eksempel på en fotoelektrode, fordi materialet kan absorbere lys i det synlige område i solspektret, og når det kombineres med en katalysator, dets fysiske egenskaber gør det muligt for den at lave ilt i vandspaltningsreaktionen. Bismuth vanadat er et af de få materialer, der kan gøre dette, og i dette tilfælde, tilsætning af en lille mængde molybdæn til BiVO ₄ på en eller anden måde forbedrer sin ydeevne, Toma forklarede.

Når vandet opdeles i H2 og O2, brint-brint og oxygen-ilt-bindinger skal dannes. Men hvis et trin i vandopdelingen er ude af synkronisering, uønskede reaktioner vil ske, hvilket kan føre til korrosion. "Og hvis du vil skalere et materiale op til en kommerciel vandopdelingsanordning, ingen ønsker noget, der nedværdiger. Så vi ønskede at udvikle en teknik, der kortlægger, hvilke områder på nanoskala der er bedst til at lave ilt, " forklarede Toma.

Arbejder med ALS-medarbejder David Shapiro, Toma og hendes team brugte STXM til at tage højopløselige nanoskalamålinger af korn i en tynd film af Mo-BiVO ₄ da materialet nedbrydes som reaktion på vandspaltningsreaktionen udløst af lys og elektrolytten.

"Kemisk heterogenitet på nanoskala i et materiale kan ofte føre til interessante og nyttige egenskaber, og få mikroskopiteknikker kan undersøge den molekylære struktur af et materiale i denne skala, "Shapiro sagde. "STXM-instrumenterne ved den avancerede lyskilde er meget følsomme sonder, der ikke-destruktivt kan kvantificere denne heterogenitet ved høj rumlig opløsning og kan derfor give en dybere forståelse af disse egenskaber."

David Prendergast, midlertidig afdelingsdirektør for Molecular Foundry, og Sebastian Reyes-Lillo, en tidligere postdoktor ved Støberiet, hjalp holdet med at forstå, hvordan Mo-BiVO ₄ reagerer på lys ved at udvikle beregningsværktøjer til at analysere hvert molekyles spektrale "fingeraftryk". Reyes-Lillo er i øjeblikket professor ved Andres Bello University i Chile og bruger af Molecular Foundry. Molecular Foundry er en national brugerfacilitet for Nanoscale Science Research Center.

"Prendergasts teknik er virkelig kraftfuld, " sagde Toma. "Ofte når man har komplekse heterogene materialer lavet af forskellige atomer, de eksperimentelle data, du får, er ikke lette at forstå. Denne tilgang fortæller dig, hvordan du fortolker disse data. Og hvis vi har en bedre forståelse af dataene, vi kan skabe bedre strategier for at lave Mo-BiVO ₄ fotoelektroder mindre sårbare over for korrosion under vandspaltning."

Reyes-Lillo tilføjede, at Tomas brug af denne teknik og arbejdet hos JCAP muliggjorde en dybere forståelse af Mo-BiVO ₄ det ville ellers ikke være muligt. "Tilgangen afslører elementspecifikke kemiske fingeraftryk af et materiales lokale elektroniske struktur, hvilket gør det særligt velegnet til undersøgelse af fænomener på nanoskala. Vores undersøgelse repræsenterer et skridt i retning af at forbedre ydeevnen af ​​halvledende BiVO ₄ -baserede materialer til solbrændselsteknologier, " han sagde.

Næste skridt

Forskerne planlægger derefter at videreudvikle teknikken ved at tage STXM-billeder, mens materialet fungerer, så de kan forstå, hvordan materialet ændrer sig kemisk som en fotoelektrode i et model-PEC-system.

"Jeg er meget stolt af dette arbejde. Vi skal finde alternative løsninger til fossile brændstoffer, og vi har brug for vedvarende alternativer. Selvom denne teknologi ikke er klar til markedet i morgen, vores teknik – sammen med de kraftfulde instrumenter, der er tilgængelige for brugere hos Advanced Light Source og Molecular Foundry – vil åbne op for nye ruter for vedvarende energiteknologier, der kan gøre en forskel."