Het zonnebrandstofpotentieel van watersplitsing nader bekeken

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

Een apparaat dat bekend staat als een foto-elektrische chemische cel (PEC) heeft het potentieel om waterstof als brandstof te produceren door middel van kunstmatige fotosynthese, een opkomende hernieuwbare energietechnologie die energie uit zonlicht gebruikt om chemische reacties te stimuleren, 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 in zuurstof. Er zijn maar weinig materialen die dit goed kunnen, en volgens de theorie is een anorganisch materiaal genaamd bismutvanadaat (BiVO₄) is een goede kandidaat.

Toch is deze technologie nog jong en hebben onderzoekers in het veld moeite om een ​​BiVO te maken₄ foto-elektrode die zijn potentieel waarmaakt in een PEC-apparaat. Nu, zoals gerapporteerd in het tijdschrift 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 zou kunnen gebeuren op nanoschaal (miljardsten van een meter) om BiVO te houden₄ terug.

“Wanneer je een materiaal maakt, zoals een anorganisch materiaal zoals bismutvanadaat, zou je kunnen aannemen, door er met het blote oog naar te kijken, dat het materiaal overal homogeen en uniform is”, aldus senior auteur Francesca Toma, een stafwetenschapper bij JCAP in de divisie Chemical Sciences van Berkeley Lab. “Maar als je details in een materiaal op nanoschaal kunt zien, is wat je veronderstelde homogeen ineens heterogeen – met een ensemble van verschillende eigenschappen en chemische composities. En als je de efficiëntie van een foto-elektrodemateriaal wilt verbeteren, moet je meer weten over wat er gebeurt op nanoschaal. “

Röntgenfoto’s en simulaties brengen een duidelijker beeld in beeld

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

De huidige studie bouwt voort op dat baanbrekende werk met behulp van een röntgenmicroscoop met scanoverdracht (STXM) bij Berkeley Lab’s Advanced Light Source (ALS) (als.lbl.gov/), een synchrotron-gebruikersfaciliteit, om veranderingen in een dunne film halfgeleidermateriaal gemaakt van molybdeenbismutvanadaat (Mo-BiVO₄).

De onderzoekers gebruikten bismutvanadaat als voorbeeld van een foto-elektrode, omdat het materiaal licht in het zichtbare bereik van het zonnespectrum kan absorberen, en in combinatie met een katalysator kan het dankzij de fysische eigenschappen zuurstof 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 BiVO₄ verbetert op de een of andere manier zijn prestaties, legde Toma uit.

Wanneer water wordt opgesplitst in H2 en O2, moeten waterstof-waterstof- en zuurstof-zuurstofbindingen worden gevormd. Maar als een stap in de watersplitsing niet synchroon loopt, zullen er ongewenste reacties optreden die tot corrosie kunnen leiden. “En als je een materiaal wilt opschalen tot een commercieel watersplitsend apparaat, wil niemand iets dat degradeert. Dus wilden we een techniek ontwikkelen die in kaart brengt welke regio’s op nanoschaal het beste zijn om zuurstof te maken”, legt Toma uit. .

In samenwerking met ALS-stafwetenschapper David Shapiro, gebruikten Toma en haar team STXM om hoge-resolutie metingen op nanoschaal van korrels in een dunne film van Mo-BiVO uit te voeren₄ als het materiaal degradeerde als reactie op de watersplitsingsreactie veroorzaakt door licht en de elektrolyt.

“Chemische heterogeniteit op nanoschaal in een materiaal kan vaak tot interessante en nuttige eigenschappen leiden, 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 bij een hoge ruimtelijke resolutie en daardoor een dieper begrip van deze eigenschappen kunnen verschaffen.”

David Prendergast, interim divisiedirecteur van de Molecular Foundry, en Sebastian Reyes-Lillo, een voormalig postdoctoraal onderzoeker bij de Foundry, hielpen het team begrijpen hoe Mo-BiVO₄ reageert op licht door computationele hulpmiddelen 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 voor Nanoscale Science Research Center.

‘De techniek van Prendergast is echt krachtig’, zei Toma. “Als je complexe heterogene materialen hebt gemaakt van verschillende atomen, zijn de experimentele gegevens die je krijgt vaak niet gemakkelijk te begrijpen. Deze benadering vertelt je hoe je die gegevens moet interpreteren. En als we de gegevens beter begrijpen, kunnen we betere strategieën ontwikkelen. voor het maken van Mo-BiVO₄ foto-elektroden minder gevoelig voor corrosie tijdens watersplitsing. “

Reyes-Lillo voegde toe dat Toma’s gebruik van deze techniek en het werk bij JCAP een beter begrip van Mo-BiVO mogelijk maakten.₄ dat zou anders niet mogelijk zijn. “De benadering onthult element-specifieke chemische vingerafdrukken van de lokale elektronische structuur van een materiaal, waardoor het bijzonder geschikt is voor de studie van verschijnselen op nanoschaal. Onze studie vertegenwoordigt een stap in de richting van het verbeteren van de prestaties van halfgeleidende BiVO₄-gebaseerde materialen voor zonnebrandstoftechnologieën, “zei hij.

Volgende stappen

De onderzoekers zijn vervolgens van plan de techniek verder te ontwikkelen door STXM-afbeeldingen te maken terwijl het materiaal in werking 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 niet klaar is voor de markt, is onze techniek – samen met de krachtige instrumenten die beschikbaar zijn voor gebruikers bij de Advanced Light Source en de Molecular Foundry – zullen nieuwe routes openen voor technologieën voor hernieuwbare energie om een ​​verschil te maken. ”