Drie jaar geleden, Wetenschappers van de Universiteit van Michigan ontdekten een kunstmatig fotosyntheseapparaat gemaakt van silicium en galliumnitride (Si/GaN) dat zonlicht omzet in koolstofvrije waterstof voor brandstofcellen met tweemaal de efficiëntie en stabiliteit van sommige eerdere technologieën.

Nutsvoorzieningen, wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Department of Energy (DOE) - in samenwerking met de University of Michigan en Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) - hebben een verrassend, zelfverbeterende eigenschap in Si/GaN die bijdraagt ​​aan de zeer efficiënte en stabiele prestaties van het materiaal bij het omzetten van licht en water in koolstofvrije waterstof. Hun bevindingen, gerapporteerd in het journaal Natuurmaterialen , zou de commercialisering van kunstmatige fotosynthesetechnologieën en waterstofbrandstofcellen radicaal kunnen helpen versnellen.

"Onze ontdekking is een echte game-changer, " zei senior auteur Francesca Toma, een stafwetenschapper in de Chemical Sciences Division van het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Department of Energy (Berkeley Lab). Gebruikelijk, materialen in zonnebrandstofsystemen worden afgebroken, minder stabiel worden en dus minder efficiënt waterstof produceren, ze zei. "Maar we ontdekten een ongebruikelijke eigenschap in Si/GaN waardoor het op de een of andere manier efficiënter en stabieler kan worden. Ik heb nog nooit zo'n stabiliteit gezien."

Eerdere kunstmatige fotosynthesematerialen zijn ofwel uitstekende lichtabsorbers die niet duurzaam zijn; of het zijn duurzame materialen die geen lichtabsorptie-efficiëntie hebben.

Maar silicium en galliumnitride zijn overvloedige en goedkope materialen die veel worden gebruikt als halfgeleiders in alledaagse elektronica zoals LED's (light-emitting diodes) en zonnecellen, zei co-auteur Zetian Mi, een professor in elektrische en computertechniek aan de Universiteit van Michigan die tien jaar geleden kunstmatige Si/GaN-fotosynthese-apparaten uitvond.

Toen Mi's Si/GaN-apparaat een record van 3 procent zonne-naar-waterstof-efficiëntie bereikte, hij vroeg zich af hoe zulke gewone materialen zo buitengewoon goed konden presteren in een exotisch kunstmatig fotosyntheseapparaat - dus wendde hij zich tot Toma voor hulp.

HydroGEN:een teamwetenschappelijke benadering van zonnebrandstoffen

Mi had gehoord van Toma's expertise in geavanceerde microscopietechnieken voor het onderzoeken van de nanoschaal (miljardsten van een meter) eigenschappen van kunstmatige fotosynthesematerialen via HydroGEN, een vijf-nationaal laboratoriumconsortium ondersteund door het Hydrogen and Fuel Cell Technologies Office van de DOE, en geleid door het National Renewable Energy Laboratory om samenwerkingen tussen National Labs te vergemakkelijken, academische wereld, en industrie voor de ontwikkeling van geavanceerde watersplitsende materialen. "Deze interacties van het ondersteunen van de industrie en de academische wereld op geavanceerde watersplitsende materialen met de mogelijkheden van de National Labs zijn precies waarom HydroGEN werd gevormd - zodat we de naald kunnen verplaatsen naar schone waterstofproductietechnologie, " zei Adam Weber, Berkeley Lab's Hydrogen and Fuel Cell Technologies Lab programmamanager en co-adjunct-directeur van HydroGEN.

Toma en hoofdauteur Guosong Zeng, een postdoctoraal onderzoeker in de Chemical Sciences Division van Berkeley Lab, vermoedde dat GaN een rol zou kunnen spelen in het ongebruikelijke potentieel van het apparaat voor de efficiëntie en stabiliteit van de waterstofproductie.

Er achter komen, Zeng voerde een fotogeleidend atoomkrachtmicroscopie-experiment uit in Toma's laboratorium om te testen hoe GaN-fotokathodes efficiënt geabsorbeerde fotonen in elektronen konden omzetten. en rekruteer dan die vrije elektronen om water in waterstof te splitsen, voordat het materiaal begon te degraderen en minder stabiel en efficiënt werd.

Ze verwachtten al na een paar uur een scherpe daling in de fotonabsorptie-efficiëntie en stabiliteit van het materiaal te zien. Tot hun verbazing, ze zagen een verbetering van 2-3 orden van grootte in de fotostroom van het materiaal afkomstig van kleine facetten langs de "zijwand" van de GaN-korrel, zei Zeng. Nog verbijsterender was dat het materiaal in de loop van de tijd efficiënter was geworden, hoewel het totale oppervlak van het materiaal niet zo veel veranderde, zei Zeng. "Met andere woorden, in plaats van erger te worden, het materiaal werd beter, " hij zei.

Om meer aanwijzingen te verzamelen, de onderzoekers rekruteerden scanning transmissie-elektronenmicroscopie (STEM) bij het National Center for Electron Microscopy in de Molecular Foundry van Berkeley Lab, en hoekafhankelijke röntgenfotonspectroscopie (XPS).

Uit die experimenten bleek dat een laag van 1 nanometer gemengd met gallium, stikstof, en zuurstof - of galliumoxynitride - had zich langs enkele zijwanden gevormd. Er had een chemische reactie plaatsgevonden, het toevoegen van "actieve katalytische sites voor waterstofproductiereacties, ' zei Tom.

Density functional theory (DFT) simulaties uitgevoerd door co-auteurs Tadashi Ogitsu en Tuan Anh Pham bij LLNL bevestigden hun waarnemingen. "Door de verandering van distributie van chemische soorten op specifieke delen van het materiaaloppervlak te berekenen, we hebben met succes een oppervlaktestructuur gevonden die correleert met de ontwikkeling van galliumoxynitride als reactieplaats voor waterstofontwikkeling, "Zei Ogitsu. "We hopen dat onze bevindingen en aanpak - een nauw geïntegreerde samenwerking tussen theorie en experimenten mogelijk gemaakt door het HydroGEN-consortium - zullen worden gebruikt om de technologieën voor de productie van hernieuwbare waterstof verder te verbeteren."

Mi voegde toe:"We werken al meer dan 10 jaar aan dit materiaal - we weten dat het stabiel en efficiënt is. Maar deze samenwerking heeft geholpen om de fundamentele mechanismen te identificeren waarom het robuuster en efficiënter wordt in plaats van degraderend. De bevindingen van dit werk zal ons helpen efficiëntere kunstmatige fotosynthese-apparaten te bouwen tegen lagere kosten."

Vooruit kijken, Toma zei dat zij en haar team de Si/GaN-fotokathode willen testen in een watersplitsende foto-elektrochemische cel, en dat Zeng zal experimenteren met soortgelijke materialen om een ​​beter begrip te krijgen van hoe nitriden bijdragen aan de stabiliteit in kunstmatige fotosynthese-apparaten - iets waarvan ze nooit hadden gedacht dat het mogelijk zou zijn.

"Het was totaal verrassend, ' zei Zeng. 'Het klopte niet, maar de DFT-berekeningen van Pham gaven ons de verklaring die we nodig hadden om onze waarnemingen te valideren. Onze bevindingen zullen ons helpen om nog betere kunstmatige fotosynthese-apparaten te ontwerpen."

"Dit was een ongekend netwerk van samenwerking tussen National Labs en een onderzoeksuniversiteit, " zei Toma. "Het HydroGEN-consortium bracht ons samen - ons werk laat zien hoe de Team Science-aanpak van National Labs kan helpen bij het oplossen van grote problemen die de hele wereld aangaan."