В борьбе с изменением климата, ученые искали пути, чтобы заменить ископаемое топливо с углеродом-бесплатные альтернативы, такие как водородное топливо.
Устройство, известное как фотоэлектрические химический элемент (УИК) имеет потенциал, чтобы произвести водородное топливо путем искусственного фотосинтеза, вытекая технологий использования возобновляемых источников энергии, который использует энергию солнечного света для езды химических реакций, таких как расщепление воды на водород и кислород.
Ключ к успеху участковой избирательной комиссии заключается не только в том, насколько хорошо ее фотоэлектрода взаимодействует с света для получения водорода, но и кислорода. Немногие материалы могут делать это хорошо, и по теории, неорганический материал, называемый ванадат висмута (BiVO4) является хорошим кандидатом.
Пока эта технология еще молода, и исследователи в этой области пытались сделать BiVO4 фотоэлектрода, что живет до своего потенциала в устройстве УИК. Теперь, как сообщается в журнале небольшой, исследовательская группа под руководством ученых из Департамента энергетики национальной лаборатории Лоренса Беркли (лаборатории Беркли) и Объединенного центра искусственного фотосинтеза (ЈСАРБЫЛ), лань Энергия инновационного хаба, приобрели важное новое понимание того, что может происходить на наноуровне (миллиардных долей метра) провести BiVO4 обратно.
«Когда вы делаете материал, такой как неорганический материал, как ванадат висмута, можно предположить, просто глядя на него невооруженным глазом, что материал является однородным и равномерным по всему,» сказал старший автор исследования Франческа Тома, а научный сотрудник ЈСАРБЫЛ в Беркли лаборатории химических наук отдел. «Но когда вы можете увидеть подробности в материале на наноуровне, вдруг то, что вы предположили, что была однородной фактически гетерогенные — с ансамблем различных свойств и химического состава. И если вы хотите повысить эффективность фотоэлектрода материала, вы должны больше знать о том, что происходит на наноуровне.»
Рентген и моделирования принести более четкое изображение в фокус
В предыдущем исследовании подтверждено лабораторными направлены научные исследования и разработки программы, Тома и ведущий автор Джоанна Эйхорнией разработана специальная методика с использованием атомно-силового микроскопа в лаборатории Беркли по ЈСАРБЫЛ лаборатории для захвата изображений тонких пленок висмута на кристаллах ванадатов на наноуровне, чтобы понять, как свойства материала, может повлиять на его производительность в искусственного фотосинтеза устройства. (Эйхгорн, который в настоящее время находится на Вальтера Шоттки Института Мюнхенского Технического университета в Германии был исследователем в лаборатории Беркли химического деления наук на момент исследования.)
Данное исследование опирается на новаторскую работу с помощью сканирующей трансмиссионной рентгеновской микроскопии (STXM) в Беркли лаборатории расширенный источник света (ВЛС)в/), синхротронного пользователя объекта, чтобы наметить изменения в тонкопленочных полупроводниковых материалов из молибдена ванадат висмута (МО-BiVO4).
Исследователи использовали ванадат висмута в качестве примера случае фотоэлектрода, потому что материал может поглощать свет видимого диапазона солнечного спектра, а в сочетании с катализатором, его физические свойства позволяют ему делать в воде кислорода-разделение реакции. Ванадат висмута является одним из немногих материалов, который может сделать это, и в этом случае добавление небольшого количества молибдена в BiVO4-то улучшает свои показатели, — пояснил Тома.
Когда вода расщепляется на Н2 и О2, водород-водород и кислород-кислород облигаций параметрам в форме. Но если любой шаг в воду-разделение идет не в ногу, нежелательных реакций не произойдет, что может привести к коррозии. «И если вы хотите наращивать материала в коммерческих вода-устройства для расщепления, никто не хочет что-то, что ухудшает. Поэтому мы решили разработать методику, которая отображает, какие регионы на наноуровне являются лучшими в кислород,» Тома объяснил.
Работа с персоналом АЛС ученый Дэвид Шапиро, Тома и ее команда использовали STXM взять высокоточных измерений наноразмерных зерен в тонкой пленке МО-BiVO4 как материал разлагается в ответ на воды-расщепление реакции, вызванные светом, и электролит.
«Химические неоднородности на наноуровне в материале часто могут привести к интересным и полезными свойствами, а несколько методов микроскопии можно исследовать молекулярную структуру материала в таком масштабе», — сказал Шапиро. «В STXM документов на дополнительный источник света очень чувствительные датчики, не разрушая его количественной оценки неоднородности с высоким пространственным разрешением и, следовательно, могут обеспечить более глубокое понимание этих свойств.»
Дэвид Прендергаст, временный директор отдела молекулярной Литейный, и Себастьян Рейес-Лилло, бывший постдок на Литейном, помог команде понять, как Мо-BiVO4 реагирует на свет путем разработки вычислительных средств для анализа спектральных каждая молекула-это «отпечаток пальца». Рейес-Лилло в настоящее время профессор в Университете Андрес Бельо в Чили и молекулярной Литейный пользователей. Молекулярная Литейный наноразмерных Научно-исследовательский центр Национального пользователей объекта.
«Техника Прендергаст-это очень мощный», — сказал Тома. «Часто, когда у вас есть сложных гетерогенных материалов, состоящих из различных атомов, экспериментальные данные, вы получите не легко понять. Такой подход говорит вам, как интерпретировать эти данные. И если у нас есть лучшее понимание данных, мы можем создать более эффективных стратегий для принятия МО-BiVO4 фотоэлектродов менее подвержены коррозии в водно-разделение.»
Рейес-Лилло добавил, что использовать Тома в эту технику и работать в ЈСАРБЫЛ позволили глубже понять МО-BiVO4, которые в противном случае не представляется возможным. «Этот подход открывает элемент-специфические химические отпечатки пальцев локальную электронную структуру материала, что делает его особенно подходит для изучения явлений на наноуровне. Наше исследование представляет собой шаг в направлении улучшения производительности BiVO4 полупроводниковых материалов для солнечных топливных технологий», — сказал он.
Следующие шаги
Затем исследователи планируют и дальше развивать технику, взяв STXM изображения, в то время как материал работает так, что они смогут понять, как материал химически изменений в качестве фотоэлектрода в модели системы УИК.
«Я очень горжусь этой работой. Нам нужно найти альтернативные решения для ископаемых видов топлива, и мы нуждаемся в возобновляемых альтернатив. Даже если эта технология не готова для рынка завтра, наша техника и мощных инструментов, доступных для пользователей в дополнительный источник света и молекулярной литейное производство — откроет новые маршруты для технологий использования возобновляемых источников энергии, чтобы сделать разницу.»
почувствуйте разницу: спонсорские возможности
Ответить
Хотите присоединиться к обсуждению?Не стесняйтесь вносить свой вклад!