In de strijd tegen klimaatverandering, wetenschappers hebben gezocht naar manieren om fossiele brandstoffen te vervangen door koolstofvrije alternatieven zoals waterstofbrandstof.

Een apparaat dat bekend staat als een foto-elektrische chemische cel (PEC) heeft het potentieel om waterstofbrandstof te produceren door kunstmatige fotosynthese, een opkomende technologie voor hernieuwbare energie die energie uit zonlicht gebruikt om chemische reacties aan te sturen, zoals het splitsen van water in waterstof en zuurstof.

De sleutel tot het succes van een PEC ligt niet alleen in hoe goed de foto-elektrode reageert met licht om waterstof te produceren, maar ook zuurstof. Er zijn maar weinig materialen die dit goed kunnen, en volgens de theorie een anorganisch materiaal genaamd bismutvanadaat (BiVO ₄ ) is een goede kandidaat.

Toch is deze technologie nog jong, en onderzoekers in het veld hebben geworsteld om een ​​BiVO . te maken ₄ foto-elektrode die zijn potentieel waarmaakt in een PEC-apparaat. Nutsvoorzieningen, zoals gerapporteerd in het journaal Klein , een onderzoeksteam onder leiding van wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Department of Energy (Berkeley Lab) en het Joint Center for Artificial Photosynthesis (JCAP), een DOE Energy Innovation Hub, hebben belangrijk nieuw inzicht gekregen in wat er op nanoschaal (miljardsten van een meter) zou kunnen gebeuren om BiVO . vast te houden ₄ rug.

"Als je een materiaal maakt, zoals een anorganisch materiaal zoals bismutvanadaat, je zou kunnen veronderstellen, gewoon door er met het blote oog naar te kijken, dat het materiaal overal homogeen en uniform is, " zei senior auteur Francesca Toma, een stafwetenschapper bij JCAP in de Chemical Sciences Division van Berkeley Lab. "Maar als je details in een materiaal op nanoschaal kunt zien, plotseling is wat je aannam homogeen was eigenlijk heterogeen - met een ensemble van verschillende eigenschappen en chemische samenstellingen. En als u de efficiëntie van een foto-elektrodemateriaal wilt verbeteren, je moet meer weten over wat er op nanoschaal gebeurt."

Röntgenfoto's en simulaties brengen een duidelijker beeld in beeld

In een eerdere studie ondersteund door het Laboratory Directed Research and Development-programma, Toma en hoofdauteur Johanna Eichhorn ontwikkelden een speciale techniek met behulp van een atoomkrachtmicroscoop in het JCAP-laboratorium van Berkeley Lab om beelden van dunnefilmbismutvanadaat op nanoschaal vast te leggen om te begrijpen hoe de eigenschappen van een materiaal de prestaties in een kunstmatig fotosyntheseapparaat kunnen beïnvloeden. (Eichhoorn, die momenteel aan het Walter Schottky Instituut van de Technische Universiteit van München in Duitsland werkt, was ten tijde van het onderzoek een onderzoeker in de Chemische Wetenschappen van Berkeley Lab.)

De huidige studie bouwt voort op dat baanbrekende werk door gebruik te maken van een scanning-transmissie-röntgenmicroscoop (STXM) bij Berkeley Lab's Advanced Light Source (ALS) (als.lbl.gov/), een synchrotron gebruikersfaciliteit, veranderingen in een dunnefilm halfgeleidend materiaal van molybdeenbismutvanadaat (Mo-BiVO ₄ ).

De onderzoekers gebruikten bismutvanadaat als voorbeeld van een foto-elektrode omdat het materiaal licht kan absorberen in het zichtbare bereik in het zonnespectrum, en in combinatie met een katalysator, zijn fysische eigenschappen laten het toe om zuurstof te maken in de watersplitsingsreactie. Bismutvanadaat is een van de weinige materialen die dit kan, en in dit geval de toevoeging van een kleine hoeveelheid molybdeen aan BiVO ₄ verbetert op de een of andere manier zijn prestaties, legde Tom uit.

Wanneer water wordt gesplitst in H2 en O2, waterstof-waterstof- en zuurstof-zuurstofbindingen moeten worden gevormd. Maar als een stap in het splitsen van water niet synchroon loopt, ongewenste reacties zullen optreden, wat tot corrosie kan leiden. "En als je een materiaal wilt opschalen tot een commercieel watersplitsend apparaat, niemand wil iets dat degradeert. Dus wilden we een techniek ontwikkelen die in kaart brengt welke regio's op nanoschaal het beste zijn in het maken van zuurstof, ' legde Tom uit.

Werken met ALS-stafwetenschapper David Shapiro, Toma en haar team gebruikten STXM om nanoschaalmetingen met hoge resolutie te doen van korrels in een dunne film van Mo-BiVO ₄ als het materiaal degradeerde als reactie op de watersplitsingsreactie veroorzaakt door licht en de elektrolyt.

"Chemische heterogeniteit op nanoschaal in een materiaal kan vaak leiden tot interessante en bruikbare eigenschappen, en weinig microscopietechnieken kunnen de moleculaire structuur van een materiaal op deze schaal onderzoeken, " zei Shapiro. "De STXM-instrumenten bij de Advanced Light Source zijn zeer gevoelige sondes die deze heterogeniteit niet-destructief kunnen kwantificeren met een hoge ruimtelijke resolutie en daarom een ​​dieper begrip van deze eigenschappen kunnen bieden."

David Prendergast, interim divisiedirecteur van de Molecular Foundry, en Sebastian Reyes-Lillo, een voormalig postdoctoraal onderzoeker bij de Foundry, hielp het team begrijpen hoe Mo-BiVO ₄ reageert op licht door computerhulpmiddelen te ontwikkelen om de spectrale "vingerafdruk" van elk molecuul te analyseren. Reyes-Lillo is momenteel professor aan de Andres Bello University in Chili en een gebruiker van Molecular Foundry. De Molecular Foundry is een nationale gebruikersfaciliteit van het Nanoscale Science Research Center.

"De techniek van Prendergast is echt krachtig, "Zei Toma. "Vaak als je complexe heterogene materialen hebt gemaakt van verschillende atomen, de experimentele gegevens die u krijgt, zijn niet gemakkelijk te begrijpen. Deze benadering vertelt u hoe u die gegevens moet interpreteren. En als we de gegevens beter begrijpen, we kunnen betere strategieën creëren voor het maken van Mo-BiVO ₄ foto-elektroden minder kwetsbaar voor corrosie tijdens het splitsen van water."

Reyes-Lillo voegde toe dat Toma's gebruik van deze techniek en het werk bij JCAP een dieper begrip van Mo-BiVO mogelijk maakten ₄ dat zou anders niet kunnen. "De aanpak onthult elementspecifieke chemische vingerafdrukken van de lokale elektronische structuur van een materiaal, waardoor het bijzonder geschikt is voor de studie van fenomenen op nanoschaal. Onze studie is een stap in de richting van het verbeteren van de prestaties van halfgeleidende BiVO ₄ -gebaseerde materialen voor zonnebrandstoftechnologieën, " hij zei.

Volgende stappen

De onderzoekers zijn vervolgens van plan om de techniek verder te ontwikkelen door STXM-beelden te maken terwijl het materiaal in bedrijf is, zodat ze kunnen begrijpen hoe het materiaal chemisch verandert als een foto-elektrode in een model PEC-systeem.

"Ik ben erg trots op dit werk. We moeten alternatieve oplossingen vinden voor fossiele brandstoffen, en we hebben hernieuwbare alternatieven nodig. Zelfs als deze technologie morgen nog niet klaar is voor de markt, onze techniek - samen met de krachtige instrumenten die beschikbaar zijn voor gebruikers bij de Advanced Light Source en de Molecular Foundry - zal nieuwe wegen openen voor hernieuwbare energietechnologieën om een ​​verschil te maken."