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研究水分解的太阳能潜力

信息来源:星火计划 发布时间:【2020-08-14 】 点击次数:
在应对气候变化的斗争中,科学家们一直在寻找用无碳替代品(例如氢燃料)代替化石燃料的方法。

左:降解之前(左上)和降解后(左下)的Mo-BiVO4薄膜的原子力显微镜图像;腐蚀会导致材料的晶粒彼此分离。右:降解前(右上)和降解后(右下)的Mo-BiVO4薄膜的X射线吸收图;深色区域表示Mo-BiVO4的高浓度区域,而明亮区域表示Mo-BiVO4的低浓度区域。图片来源:伯克利实验室
 
一种称为光电化学电池(PEC)的设备具有通过人工光合作用生产氢燃料的潜力,这是一种新兴的可再生能源技术,利用阳光中的能量来驱动化学反应,例如将水分解为氢和氧。
 
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,而且还包括氧气。很少有材料可以很好地做到这一点,根据理论,称为钒酸铋(BiVO 4)的无机材料是不错的选择。
 
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BiVO 4光电极,使其在PEC装置中发挥其潜力。如今,正如《小型》杂志所报道的那样,由能源部劳伦斯·伯克利国家实验室(伯克利实验室)和美国能源部能源创新中心人造光合作用联合中心(JCAP)的科学家领导的研究团队获得了重要的新见解。研究可能会发生在纳米级(十亿分之一米)的情况,从而使BiVO 4退缩。
 
“当您制造一种材料,例如钒酸铋之类的无机材料时,您可能会用肉眼观察到该材料在整个过程中都是均匀且均匀的,”资深作者Francesca Toma说。伯克利实验室化学科学系的JCAP。“但是当您看到纳米级材料的细节时,您突然认为均匀的实际上是异质的,具有不同的性质和化学组成的集合。如果您想提高光电极材料的效率,您需要了解更多关于纳米级正在发生的事情。”
 
X射线和模拟使更清晰的图像成为焦点
 
在实验室指导研究与开发计划支持的先前研究中,托马及其主要作者Johanna Eichhorn在伯克利实验室JCAP实验室开发了一种使用原子力显微镜的特殊技术,以捕获纳米级的钒酸铋薄膜的图像,从而了解了材料的特性会影响其在人工光合作用设备中的性能。(Eichhorn,目前在德国慕尼黑工业大学的Walter Schottky研究所工作,当时是伯克利实验室化学科学系的研究员。)
 
 
 
本研究基于这项先驱性工作,通过使用伯克利实验室先进光源(ALS)(als.lbl.gov/)上的扫描透射X射线显微镜(STXM)来绘制薄层中的变化钒酸钼酸铋(Mo-BiVO 4)制成的薄膜半导体材料。
 
研究人员使用钒酸铋作为光电极的一个例子,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使用时,其物理性质使其可以在水分解反应中产生氧气。托马解释说,钒酸铋是能做到这一点的少数材料之一,在这种情况下,向BiVO 4中添加少量钼以某种方式改善了它的性能。
Francesca Toma(右)和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,以捕获纳米级的钒酸铋薄膜的图像,以了解材料的特性如何影响其在人工光合作用设备中的性能。图片提供:Marilyn Sargent /伯克利实验室
当水分解为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,则会发生不需要的反应,这可能导致腐蚀。Toma解释说:“而且,如果您想将一种材料放大成一种商用的水分解装置,那么没人会想要降解的东西。因此,我们想开发一种能够绘制出纳米级哪个区域最能制造氧气的技术。” 。
 
与ALS研​​究人员科学家David Shapiro一起工作时,Toma和她的团队使用STXM对Mo-BiVO 4薄膜中的晶粒进行了高分辨率的纳米级测量,因为该材料响应于光和电解质引发的水分解反应而降解。
 
夏皮罗说:“材料在纳米级的化学异质性通常会导致有趣和有用的特性,而且很少有显微镜技术能够探测这种规模的材料的分子结构。” “高级光源处的STXM仪器是非常灵敏的探针,可以以高空间分辨率无损地量化这种异质性,因此可以对这些特性有更深入的了解。”
 
Molecular Foundry临时部门主管David Prendergast和Foundry的前博士后研究员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对光的反应。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。
 
托马说:“ Prendergast的技术非常强大。” “通常,当您拥有由不同原子构成的复杂的异质材料时,所获得的实验数据并不容易理解。这种方法告诉您如何解释这些数据。如果我们对数据有更好的了解,我们可以制定更好的策略使Mo-BiVO 4光电极在水分解过程中不易腐蚀。”
 
Reyes-Lillo补充说,Toma对这项技术的使用以及JCAP的工作使人们对Mo-BiVO 4有了更深入的了解,否则这是不可能的。“该方法揭示了材料局部电子结构的特定于元素的化学指纹,使其特别适合于研究纳米级的现象。我们的研究代表了朝着提高太阳能燃料技术用BiVO 4半导体材料的性能迈出的一步, “ 他说。
 
下一步
 
研究人员下一步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如何在PEC模型系统中作为光电极发生化学变化。
 
“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,我们需要可再生能源。即使这项技术明天还没有准备好投放市场,我们的技术以及为用户提供的功能强大的仪器在Advanced Light Source和Molecular Foundry上,它将为可再生能源技术开辟新途径以发挥作用。”

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