Toen Lawrence Livermore-wetenschapper Tadashi Ogitsu in 2017 een waterstofauto met brandstofcel leasede, hij wist dat zijn dagelijkse woon-werkverkeer voor altijd zou veranderen. Er komen geen broeikasgassen uit de uitlaat, gewoon een beetje waterdamp.

De markt voor waterstofauto's groeit. Volgens een recent rapport van de California Energy Commission en de California Air Resources Board, de staat is nu de thuisbasis van 31 waterstoftankstations.

De volgende uitdaging is om waterstofbrandstof kosteneffectief en duurzaam te maken.

"Waterstof kan uit meerdere bronnen worden geproduceerd, maar de heilige graal is om het te maken van water en zonlicht, " zei Ogitsu, een stafwetenschapper in de Quantum Simulations Group van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL). Hij is ook lid van de stuurgroep van het HydroGEN Advanced Water Splitting Materials Consortium, een door een lab geleid consortium in het Energy Materials Network van het Department of Energy (DOE). Het is gericht op waterstofproductie uit water via geavanceerde elektrolyse bij hoge en lage temperatuur, evenals foto-elektrochemische en thermochemische zonne-energieprocessen en wordt beheerd door het Fuel Cell Technologies Office van DOE's Office of Energy Efficiency and Renewable Energy (EERE).

Een van de uitdagingen die gepaard gaan met door zonne-energie aangedreven watersplitsingstechnologieën voor waterstofproductie, is de stabiliteit van het apparaat dat de taak uitvoert. Bij foto-elektrochemische (PEC) waterstofproductie, een zonlicht-verzamelende halfgeleider fotoabsorber wordt direct ondergedompeld in een op water gebaseerde elektrolytoplossing. Een uitdaging is dat veel van de meest efficiënte fotoabsorberende materialen, zoals silicium en indiumfosfide, zijn vaak onstabiel onder PEC-bedrijfsomstandigheden. Dit is grotendeels te wijten aan chemische reacties op het grensvlak vast/vloeibaar, waarvan sommige resulteren in oxidatie en degradatie van het materiaal.

Samen met collega's van de Notre Dame University en het Lawrence Berkeley National Laboratory, LLNL-wetenschappers hebben een geïntegreerde theorie-experimenttechniek ontwikkeld om de chemie op vaste/vloeistof-interfaces te ondervragen. Deze techniek werd toegepast om inzicht te krijgen in oxiden gevormd op galliumfosfide (GaP) en indiumfosfide (InP) oppervlakken onder omstandigheden die relevant zijn voor de productie van PEC-waterstof, een eerste stap naar het beheersen van de chemie van deze materialen. Het onderzoek staat op de omslag van de Journal of Physical Chemistry Letters in de editie van 4 januari.

Ogitsu, Brandon Wood en hoofdauteur Tuan Anh Pham maakten gebruik van de krachtige computermogelijkheden bij LLNL om mogelijke chemische soorten te simuleren die kunnen voorkomen op fotoabsorberende oppervlakken in contact met waterige media. Deze soorten werden vervolgens gekarakteriseerd door spectroscopische vingerafdrukken met behulp van kwantummechanische berekeningen.

Onderzoekers van de Notre Dame hebben de berekeningen experimenteel gevalideerd met behulp van ultramoderne röntgenfoto-elektronenspectroscopie. Naast het bieden van een gedetailleerd begrip van de chemie op het grensvlak tussen vast en vloeibaar, de auteurs onderzochten hoe dit de halfgeleiderstabiliteit tijdens bedrijf beïnvloedt. Bijvoorbeeld, ze ontdekten dat in vergelijking met GaP, het waterstofnetwerk nabij InP-oppervlakken is veel vloeibaarder, het vergemakkelijken van zelfgenezing van oppervlakte-imperfecties die resulteren in een verbeterde corrosieweerstand van de InP.

"De snelle ontwikkelingen in computationele en experimentele methoden maken het nu mogelijk om de twee direct te integreren op een manier die we nog niet eerder hebben gezien, " Pham zei. "Dit biedt een nieuwe manier om de chemie van zeer complexe interfaces te begrijpen die anders niet door een enkele techniek zouden kunnen worden aangepakt. Ons werk is een routekaart voor het onderzoeken van dit soort interfaces in een breed scala aan energietechnologieën."