仔细研究水分解的太阳能燃料潜力

导读 在应对气候变化的斗争中,科学家们一直在寻找用氢燃料等无碳替代品替代化石燃料的方法。一种被称为光电化学电池 (PEC) 的装置有可能通过

在应对气候变化的斗争中,科学家们一直在寻找用氢燃料等无碳替代品替代化石燃料的方法。一种被称为光电化学电池 (PEC) 的装置有可能通过人工光合作用生产氢燃料,这是一种新兴的可再生能源技术,它利用来自阳光的能量来驱动化学反应,例如将水分解成氢和氧。

PEC 成功的关键不仅在于其光电极与光反应产生氢气的能力,还在于产生氧气。很少有材料能做到这一点,根据理论,一种叫做钒酸铋 (BiVO 4 )的无机材料是一个很好的候选材料。

然而,这项技术还很年轻,该领域的研究人员一直在努力制造一种在 PEC 设备中发挥其潜力的 BiVO 4光电极。现在,正如《Small》杂志报道的那样,由能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)和能源部能源创新中心人工光合作用联合中心 (JCAP) 的科学家领导的一个研究小组获得了重要的新见解了解纳米级(十亿分之一米)可能发生的事情,以阻止 BiVO 4。

“当你制造一种材料,比如像钒酸铋这样的无机材料时,你可能会假设,仅仅用肉眼观察它,材料在整个过程中都是同质的,”资深作者弗朗西斯卡托马说,他是该研究所的一名科学家。伯克利实验室化学科学部的 JCAP。“但是当你可以在纳米尺度上看到材料的细节时,突然间你认为是同质的实际上是异质的——具有不同性质和化学成分的集合。如果你想提高光电极材料的效率,你需要了解更多关于纳米级发生的事情。”

X 射线和模拟使图像更清晰

在实验室指导研发计划支持的先前研究中,Toma 和主要作者 Johanna Eichhorn 在伯克利实验室的 JCAP 实验室使用原子力显微镜开发了一种特殊技术,以捕获纳米级钒酸铋薄膜的图像,以了解材料的特性会影响其在人工光合作用装置中的性能。(目前在德国慕尼黑工业大学沃尔特肖特基研究所工作的 Eichhorn 在研究时是伯克利实验室化学科学部门的研究员。)

目前的研究建立在这项开创性工作的基础上,在伯克利实验室的高级光源 (ALS) ( als.lbl.gov/ ) 中使用扫描透射 X 射线显微镜 ( STXM ),这是一个同步加速器用户设施,以绘制薄-薄膜半导体材料,由钼钒酸铋 (Mo-BiVO 4 )制成。

研究人员使用钒酸铋作为光电极的例子,因为该材料可以吸收太阳光谱中可见光范围内的光,并且当与催化剂结合时,其物理特性使其能够在水分解反应中制造氧气。Toma 解释说,钒酸铋是少数可以做到这一点的材料之一,在这种情况下,向 BiVO 4添加少量钼会以某种方式提高其性能。

当水分解成 H2 和 O2 时,需要形成氢-氢和氧-氧键。但是,如果水分解的任何步骤不同步,就会发生不需要的反应,从而导致腐蚀。“如果你想将一种材料放大成商用的水分解装置,没有人想要降解的东西。所以我们想开发一种技术来绘制出纳米级哪些区域最适合制造氧气,”Toma 解释说.

Toma 和她的团队与 ALS 工作人员科学家 David Shapiro 合作,使用 STXM 对 Mo-BiVO 4薄膜中的晶粒进行高分辨率纳米级测量,因为材料因光和电解质引发的水分解反应而降解.

“材料在纳米尺度上的化学异质性通常会导致有趣和有用的特性,很少有显微镜技术可以在这种尺度上探测材料的分子结构,”夏皮罗说。“高级光源中的 STXM 仪器是非常灵敏的探针,可以在高空间分辨率下无损地量化这种异质性,因此可以更深入地了解这些特性。”

Molecular Foundry 临时部门主管 David Prendergast 和 Foundry 前博士后研究员 Sebastian Reyes-Lillo通过开发计算工具来分析每个分子的光谱“指纹” ,帮助团队了解 Mo-BiVO 4如何响应光。Reyes-Lillo 目前是智利安德烈斯贝洛大学的教授,也是 Molecular Foundry 的用户。分子铸造厂是纳米级科学研究中心的国家用户设施。

“Prendergast 的技术非常强大,”Toma 说。“通常当你拥有由不同原子组成的复杂异质材料时,你得到的实验数据并不容易理解。这种方法告诉你如何解释这些数据。如果我们对数据有更好的理解,我们可以制定更好的策略用于使 Mo-BiVO 4光电极在水分解过程中不易受到腐蚀。”

Reyes-Lillo 补充说,Toma 对这项技术的使用和 JCAP 的工作使人们能够更深入地了解 Mo-BiVO 4,否则这是不可能的。“该方法揭示了材料局部电子结构的元素特定化学指纹,使其特别适合研究纳米尺度的现象。我们的研究代表了提高半导体 BiVO 4基材料性能的一步,用于太阳能燃料技术, “ 他说。

研究人员接下来计划通过在材料运行时拍摄 STXM 图像来进一步开发该技术,以便他们能够了解材料作为模型 PEC 系统中的光电极如何发生化学变化。

“我为这项工作感到非常自豪。我们需要找到化石燃料的替代解决方案,我们需要可再生的替代品。即使这项技术明天还没有为市场做好准备,我们的技术以及可供用户使用的强大仪器在先进光源和分子铸造厂——将为可再生能源技术开辟新的途径,以发挥作用。”

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