In de zoektocht om kunstmatige fotosynthese te realiseren om zonlicht om te zetten, water, en koolstofdioxide in brandstof - net zoals planten doen - moeten onderzoekers niet alleen materialen identificeren om foto-elektrochemische watersplitsing efficiënt uit te voeren, maar ook om te begrijpen waarom een ​​bepaald materiaal wel of niet werkt. Nu hebben wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) pionierswerk verricht met een techniek die gebruikmaakt van beeldvorming op nanoschaal om te begrijpen hoe lokale, eigenschappen op nanoschaal kunnen de macroscopische prestaties van een materiaal beïnvloeden.

hun studie, "Beeldvorming op nanoschaal van ladingdragertransport in watersplitsende anodes", is zojuist gepubliceerd in Natuurcommunicatie . De hoofdonderzoekers waren Johanna Eichhorn en Francesca Toma van de Chemical Sciences Division van Berkeley Lab.

"Deze techniek correleert de morfologie van het materiaal met zijn functionaliteit, en geeft inzicht in het ladingstransportmechanisme, of hoe de ladingen in het materiaal bewegen, op nanoschaal, " zei Tom, die ook onderzoeker is in het Gemeenschappelijk Centrum voor Kunstmatige Fotosynthese, een Department of Energy Innovation Hub.

Kunstmatige fotosynthese probeert energierijke brandstof te produceren met alleen zonlicht, water, en koolstofdioxide als input. Het voordeel van een dergelijke aanpak is dat deze niet concurreert met voedselvoorraden en geen of lage uitstoot van broeikasgassen zou veroorzaken. Een foto-elektrochemisch watersplitsingssysteem vereist gespecialiseerde halfgeleiders die zonlicht gebruiken om watermoleculen te splitsen in waterstof en zuurstof.

Bismutvanadaat is geïdentificeerd als een veelbelovend materiaal voor een fotoanode, die ladingen levert om water in een foto-elektrochemische cel te oxideren. "Dit materiaal is een voorbeeld waarin efficiëntie theoretisch goed zou moeten zijn, maar in experimentele tests zie je eigenlijk een zeer slechte efficiëntie, "Zei Eichhorn. "De redenen daarvoor worden niet helemaal begrepen."

De onderzoekers gebruikten fotogeleidende atoomkrachtmicroscopie om de stroom op elk punt van het monster in kaart te brengen met een hoge ruimtelijke resolutie. Deze techniek is al gebruikt om lokaal ladingstransport en opto-elektronische eigenschappen van zonnecelmaterialen te analyseren, maar het is niet bekend dat deze is gebruikt om de transportbeperkingen van ladingsdragers op nanoschaal in foto-elektrochemische materialen te begrijpen.

Eichhorn en Toma werkten samen met wetenschappers van de Molecular Foundry, een wetenschappelijke onderzoeksfaciliteit op nanoschaal in Berkeley Lab, op deze metingen via het gebruikersprogramma van de Foundry. Ze ontdekten dat er verschillen waren in prestaties met betrekking tot de morfologie op nanoschaal van het materiaal.

"We ontdekten dat de manier waarop ladingen worden gebruikt niet homogeen is over het hele monster, maar liever, er is heterogeniteit, "Zei Eichhorn. "Die verschillen in prestaties kunnen de macroscopische prestaties verklaren - de algehele output van het monster - wanneer we watersplitsing uitvoeren."

Om deze karakterisering te begrijpen, Toma geeft het voorbeeld van een zonnepaneel. "Laten we zeggen dat het paneel 22 procent efficiëntie heeft, "zei ze. "Maar kun je op nanoschaal zeggen, op elk punt in het paneel, dat het u 22 procent efficiëntie oplevert? Met deze techniek kun je zeggen:Ja of nee, specifiek voor foto-elektrochemische materialen. Als het antwoord nee is, het betekent dat er minder actieve plekken op je materiaal zijn. In het beste geval vermindert het gewoon uw totale efficiëntie, maar als er meer complexe processen zijn, uw efficiëntie kan aanzienlijk worden verminderd."

Het verbeterde begrip van hoe het bismutvanadaat werkt, zal onderzoekers ook in staat stellen nieuwe materialen te synthetiseren die dezelfde reactie mogelijk efficiënter kunnen aansturen. Deze studie bouwt voort op eerder onderzoek van Toma en anderen, waarin ze het mechanisme kon analyseren en voorspellen dat de (foto)chemische stabiliteit van een foto-elektrochemisch materiaal definieert.

Toma zei dat deze resultaten wetenschappers veel dichter bij het bereiken van efficiënte kunstmatige fotosynthese brengen. "Nu weten we hoe we lokale fotostroom in deze materialen kunnen meten, die een zeer lage geleidbaarheid hebben, " zei ze. "De volgende stap is om dit alles in een vloeibare elektrolyt te doen en precies hetzelfde te doen. Wij hebben de tools. Nu weten we hoe we de resultaten moeten interpreteren, en hoe ze te analyseren, dat is een belangrijke eerste stap om vooruit te komen."