De zon is een overvloedige bron van hernieuwbare energie, die kunnen worden opgevangen en omgezet in bruikbare elektriciteit. Echter, omdat de zon niet altijd schijnt, de levering van energie is niet continu. We hebben een manier nodig om de energie van de zon op te slaan, zodat deze op verzoek kan worden vrijgegeven tijdens "off"-tijden, zoals 's nachts en in bewolkte omstandigheden.

Een optie is om zonne-energie te gebruiken om chemische reacties aan te drijven die brandstoffen genereren. Bijvoorbeeld, zonne-energie kan worden omgezet in waterstof - een energierijke en schoon brandende brandstof - door watersplitsing. Om deze reactie aan te sturen, twee elektroden gemaakt van lichtabsorberende halfgeleidende materialen zijn verbonden en ondergedompeld in water. Zonlicht dat op de elektroden valt, creëert een elektrische stroom die water in zijn twee componenten splitst:waterstof en zuurstof.

"We hebben goedkope, ruim beschikbaar, en milieuvriendelijke halfgeleiders die licht over een reeks golflengten kunnen absorberen en efficiënt de oxidatie van water tot zuurstofgas kunnen uitvoeren, het meest uitdagende deel van de reactie, " legde Mingzhao Liu uit, een stafwetenschapper in de Interface Science and Catalysis Group van het Center for Functional Nanomaterials (CFN) van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE). "Bij blootstelling aan zuurstof, halfgeleiders kunnen gemakkelijk gecorrodeerd raken."

Bijvoorbeeld, silicium, de halfgeleider die doorgaans wordt gebruikt in zonnecellen, corrodeert snel bij blootstelling aan zuurstof. Titaandioxide heeft een hoge stabiliteit en elektrische geleidbaarheid getoond, maar het absorbeert alleen ultraviolet (UV) licht, die goed is voor slechts ongeveer zes procent van alle zonnestraling die op het aardoppervlak wordt ontvangen. Een andere veelbelovende kandidaat is bismutvanadaat. Gemaakt van bismut, vanadium, en zuurstof (BVO), deze geelgekleurde, niet-toxisch materiaal heeft een hoge stabiliteit en kan zowel UV- als zichtbaar licht absorberen. Echter, het is een slechte geleider van elektriciteit, het beperken van de zonne-naar-waterstof conversie-efficiëntie.

De afgelopen jaren is Liu heeft een inspanning geleverd om BVO van hoge kwaliteit te laten groeien en de prestaties voor het splitsen van zonnewater te verbeteren. Zoals Liu uitlegde, BVO is een ingewikkeld materiaal omdat het is gemaakt van twee verschillende metalen en zuurstof. Als de verhoudingen van atomen niet precies één op één zijn, defecten kunnen onbedoeld worden geïntroduceerd. Deze gebreken maken het moeilijk om de ware eigenschappen van het materiaal te bestuderen en de inherente beperkingen ervan te ontdekken.

Om dunne films van BVO te maken met een hoge zuiverheid en kristallijne structuur, Liu heeft gepulseerde laserdepositie gebruikt. Bij deze techniek, een gerichte UV-laser verwarmt een doelmateriaal met de gewenste elementaire samenstelling in een vacuümkamer. Omdat de energie van de laserpulsen erg intens is, atomen op het oppervlak van het doelmateriaal verdampen en condenseren op een substraat om een ​​dunne film te vormen.

"Als we eenmaal een defectvrij kristallijn materiaal hebben, dan kunnen we vragen hoe kunnen we het verbeteren?" zei Liu.

In een eerder dit jaar gepubliceerde studie Liu, CFN collega's, en theoretici van de University of California (UC), Santa Cruz, onderzocht hoe de elektrische geleidbaarheid van BVO kan worden verbeterd door er kleine hoeveelheden andere materialen aan toe te voegen (een proces dat bekend staat als doping) via gepulseerde laserdepositie. De elektronische structuurberekeningen van de theoretici gaven aan dat lithium een ​​ideale doteringsstof zou zijn om experimenteel te testen; lithium zou bij kamertemperatuur gemakkelijk één elektron aan het systeem bijdragen en klein genoeg zijn om in holtes in het rooster te passen zonder de structuur ervan significant te beïnvloeden.

Na het synthetiseren van dunne BVO-films gedoteerd met een optimale hoeveelheid lithium, het team voerde een reeks op elektronen en röntgenstraling gebaseerde karakteriseringsstudies uit bij de CFN en Brookhaven's National Synchrotron Light Source II (NSLS-II). Deze studies bevestigden de zuiverheid van de films en het ontbreken van roostervervormingen na lithiumdoping. Vervolgens, het team heeft de elektronische transporteigenschappen en foto-elektrochemische prestaties van de met lithium gedoteerde BVO gemeten. Volgens deze experimenten lithiumdoping verhoogde de geleidbaarheid van BVO met bijna twee ordes van grootte en de wateroxidatieactiviteit met 20 procent, in vergelijking met pure BVO.

"Theorievoorspelling en experimentele validatie gaan hand in hand voor het snel creëren van nieuwe materialen voor energieconversie, " zei Yuan Ping, een assistent-professor bij de afdeling Chemie en Biochemie en hoofdonderzoeker van de Ping Group aan de UC Santa Cruz.

In een andere recente studie, Liu en medewerkers van de Universiteit van Chicago en de Universiteit van Wisconsin-Madison onderzochten de impact van zuurstofvacatures op de elektronische structuur en transporteigenschappen van BVO in zijn meest energetisch stabiele oriëntatie. Zoals Liu uitlegde, plaatsen in het rooster waar zuurstof ontbreekt, zijn inherent aan oxidematerialen, ook zonder doping. Met behulp van rekenmethoden, het team creëerde een structureel model van BVO en valideerde dit model door berekende en experimentele elektronische toestanden te vergelijken. Hun resultaten suggereerden dat zuurstofvacatures in de bulk (binnenkant) van het materiaal bijdragen aan geleidbaarheid, terwijl die aan de oppervlakte de geleidbaarheid niet belemmeren en zelfs kunnen belemmeren.

"De zuurstofvacatures aan de oppervlakte werken meer als ladingsvallen, "zei Liu. "Als de lading daarheen gaat, ze worden gelokaliseerd en vast komen te zitten."

Vervolgstudies zijn nodig om te begrijpen hoe zuurstofvacatures aan het oppervlak en hun neiging om ladingen te immobiliseren, worden beïnvloed wanneer BVO wordt ondergedompeld in water en werkt in combinatie met een co-katalysator om de ladingsoverdracht te verbeteren. De wetenschappers gaan onderzoeken of overgangsmetaaloxiden effectief kunnen werken als co-katalysatoren. Ze zullen ook onderzoeken hoe de activiteit van het splitsen van zonnewater afhangt van welk type atomen (bismut of vanadium) de oppervlaktelaag beëindigen.

"In beide onderzoeken de nauwe samenwerking tussen experimentatoren en theoretici was de sleutel tot ons succes, " zei Liu. "We kijken ernaar uit om deze samenwerkingen voort te zetten om ons begrip van BVO verder uit te breiden en mechanismen te identificeren om de prestaties te verbeteren."