Однако есть одна загвоздка: для расщепления воды и производства водорода требуется значительное количество энергии. Таким образом, ученые работают над изготовлением материалов для фотоэлектродов, которые могут использовать солнечную энергию для разделения воды, создавая «солнечное топливо», которое можно хранить для дальнейшего использования.
Ученые из Чикагского университета, Университета Мэдисон-Висконсин и Брукхейвенской национальной лаборатории опубликовали новый прорыв в создании таких фотоэлектродов.
Их исследование, опубликованное в Nature Energy 18 февраля 2021 года, демонстрирует, что изменение самого верхнего слоя атомов на поверхности электродов может значительно повысить их производительность.
«Наши результаты имеют решающее значение как для понимания, так и для улучшения фотоэлектродов, используемых в производстве солнечного топлива», – сказала Джулия Галли, профессор молекулярной инженерии семьи Лев и профессор химии в Калифорнийском университете в Чикаго, старший научный сотрудник Аргоннской национальной лаборатории и соавтор статьи.
«Каждое усовершенствование, которое мы делаем, приближает нас к обещанию устойчивого топлива будущего», – добавил соавтор-корреспондент Кён-Шин Чой, профессор химии в Университете Висконсина, Мэдисон.
Галли и Чой – теоретические и экспериментальные лидеры в области солнечного топлива, соответственно, и уже несколько лет сотрудничают в разработке и оптимизации фотоэлектродов для производства солнечного топлива. Чтобы понять влияние состава поверхности электродов, они объединились с Минчжао Лю (MS’03, PhD’07), научным сотрудником Центра функциональных наноматериалов в Брукхейвенской национальной лаборатории.
Принцип работы фотоэлектрода заключается в поглощении энергии солнечного света, который генерирует электрический потенциал и ток, которые могут расщеплять воду на кислород и водород.
Команда исследовала материал фотоэлектрода, называемый ванадатом висмута, который является многообещающим, поскольку он сильно поглощает солнечный свет в диапазоне длин волн и остается относительно стабильным в воде.
В частности, они хотели исследовать поверхность электрода.
«Свойства сыпучих материалов были тщательно изучены; однако влияние поверхности на расщепление воды было сложно установить», – пояснил Лю, соавтор-корреспондент статьи.
В Брукхейвене Лю и аспирант Чэнью Чжоу усовершенствовали метод выращивания ванадата висмута в качестве фотоэлектрода с четко определенной ориентацией и структурой поверхности. «Однако, – сказал Чжоу, – мы знали, что на поверхности нашего фотоэлектрода ванадия было немного больше, чем висмута."Группа хотела знать, будет ли более богатая висмутом версия работать лучше.
В UW-Madison Чой и аспирант Донхо Ли нашли способ изменить состав поверхности без изменения состава остальной части электрода, и они изготовили образец с большим количеством атомов висмута на поверхности.
Чтобы понять, что происходит на молекулярном уровне, два разных состава поверхности были исследованы с помощью специальных инструментов в Центре функциональных наноматериалов, включая сканирующую туннельную микроскопию. Венни Ван, научный сотрудник группы Галли, сравнила экспериментальные и смоделированные микроскопические изображения и определила модели структуры поверхности, которые близко имитировали экспериментальные образцы.
«Наши квантово-механические расчеты предоставили большой объем информации, включая электронные свойства поверхности и точное положение атомов», – сказал Ван. «Эта информация оказалась критически важной для интерпретации экспериментов."
Затем команда сравнила то, что произошло, когда свет упал на поверхности.
Они обнаружили, что поверхности с избытком атомов висмута более благоприятны для реакций расщепления воды.
«Когда ванадат висмута поглощает свет, он генерирует электроны и электронные вакансии, называемые дырками», – сказал Ли. «Мы обнаружили, что поверхность с терминированной висмутом поднимает электроны до более высокой энергии, а также приводит к более эффективному отделению электронов от дырок – в целом, наличие большего количества атомов висмута на поверхности способствует реакциям расщепления воды."
«Наши тесно интегрированные экспериментальные и теоретические исследования были жизненно важны для понимания на атомном уровне того, как модификация поверхности может изменить свойства фотоэлектрода», – сказал Чой. «Наше сотрудничество, финансируемое Национальным научным фондом, было чрезвычайно плодотворным», – добавил Галли.
Затем исследователи изучат, как фотоэлектроды из ванадата висмута взаимодействуют со слоем катализатора, который наносится поверх поверхности фотоэлектрода для облегчения окисления воды.
«Мы считаем, что результаты нашего исследования послужат важной основой для будущих исследований», – сказал Лю. «Мы определили важную часть сложной головоломки разделения воды, и мы с нетерпением ждем продолжения изучения способов улучшения производства солнечного топлива в качестве устойчивой альтернативы ископаемому топливу», – добавил Галли.
Эта работа финансировалась Национальным научным фондом и использовала вычислительные ресурсы Исследовательского вычислительного центра Чикагского университета.
Работа в Брукхейвене проводилась в подразделениях по синтезу и характеристике материалов и проксимальных датчиков при финансовой поддержке Управления науки Министерства энергетики США.