Průlomové zvýšení pro solární palivo vyrobené v oddělené vodě

Vědci používají stejné počítače a mikroskopy, aby přišli na způsob, jak zlepšit výkon zařízení využívajících slunce k rozkládání vody a výrobě vodíku jako udržitelného paliva. Zápočet: Ilustrace Peter Allen

Výzkum na Pritzkerově škole molekulárního inženýrství může pomoci učinit z vodíku použitelné a udržitelné palivo.

Vodík je silné palivo a jeho komponenty jsou všude – ve staré čisté vodě. Vědci chtějí, aby byl široce používán jako čistý a udržitelný zdroj energie.

Jedním výstřelem je však množství energie potřebné k rozložení vody a výrobě vodíku. Vědci tak pracují na vytváření materiálů pro fotoelektrody, které využívají sluneční energii k odbourávání vody, a vytvářejí „solární palivo“, které lze uložit pro pozdější použití.

Vědci v University of Chicago, University of Wisconsin – Madison a Brookhaven National Laboratory zveřejnily nový průlom ve výrobě těchto fotoelektrod. Jejich výzkum, hlásil Energie v přírodě 18. února 2021 se ukázalo, že změna vrchní vrstvy atomů nad elektrodami může výrazně zvýšit jejich výkon.

„Naše výsledky jsou důležité pro pochopení a zdokonalení fotoelektrod používaných při výrobě solárního paliva,“ uvedla Giulia Galli, profesorka molekulárního inženýrství Liew Family a profesorka chemie na UChicago, vedoucí vědecká pracovnice v Argonne National Laboratory a spisovatelka. .

„Každé zlepšení, které děláme, nás přibližuje příslibu udržitelného budoucího paliva,“ dodal spoluautor Kyoung-Shin Choi, profesor chemie na University of Wisconsin – Madison.

Galli a Choi jsou teoretickými a experimentálními vůdci v oblasti solárního paliva a společně již mnoho let spolupracují na navrhování a optimalizaci fotoelektrod pro výrobu solárního paliva. K určení účinků na vnitřní složení elektrod je doprovázel kamenec UChicago Mingzhao Liu, MS’03, PhD’07, vědecký pracovník Centra pro funkční nanomateriál v Brookhaven National Laboratory.

Fotoelektroda funguje tak, že absorbuje energii ze slunečního světla a vytváří potenciál pro elektřinu a energii, které mohou přeměňovat vodu na kyslík a vodík.

Tým zkoumá fotoelektrodový materiál zvaný vanadičnan bismutitý, který slibuje absorpci slunečního záření na několika vlnových délkách a zůstává relativně stabilní ve vodě. Zejména chtějí zkontrolovat velikost elektrody. „Mnoho lidí studuje vlastnosti většiny materiálů; vliv povrchové separace na vodu je však náročné uplatnit,“ vysvětluje Liu, spoluautor článku.

„Každé zlepšení, které provedeme, nás přibližuje příslibům udržitelného budoucího paliva.“

Kyoung-Shin Choi, profesor chemie na University of Wisconsin – Madison

V Brookhavenu Liu a postgraduální student Chenyu Zhou zdokonalili metodu pěstování vanadičnanu bismutitého jako fotoelektrody s dobrým porozuměním orientace a struktury. „Nicméně,“ řekl Zhou, „víme, že naše fotoelektroda má nahoře méně vanadu než vizmutu.“ Skupina chce vědět, jestli má verze bohatší na bismut lepší výkon.

Na UW – Madison, Choi a postgraduální student Dongho Lee našli způsob, jak změnit povrch makeupu bez změny makeupu na zbývající elektrodě, a vytvořili vzorek s mnoha atomy vizmutu na povrchu.

Abychom zjistili, na jaké molekulární úrovni se děje, byly zkoumány dvě výše uvedené kompozice pomocí speciálních nástrojů v Centru pro funkční nanomateriál, včetně skenovací tunelovací mikroskopie. Wennie Wang, postdoktorandka ve skupině Galli, porovnala experimenty a simulované mikroskopické obrazy a identifikovala výše uvedené strukturní modely, které dobře napodobovaly experimentální vzorky.

“Naše mechanické výpočty poskytují spoustu informací, včetně elektronických vlastností na povrchu a přesné polohy atomů,” řekl Wang. „Tyto informace se staly kritickými pro interpretaci experimentů.“

Dále skupina porovnává, co se stane, když svítí tváře světla. Zjistili, že povrchy s nadbytkem atomů vizmutu byly zvláště příznivé pro reakce oddělování vody.

“Když vanadičnan bismutu absorbuje světlo, produkuje volné elektrony a elektrony zvané díry,” řekl Lee. „Zjistili jsme, že hotový povrch vizmutu zanechává elektrony na vyšších energetických úrovních a také vede k efektivnější separaci elektronů z děr – obecně s mnoha atomy vizmutu na povrchu upřednostňují reakce separační vody.

“Naše úzká kombinace experimentálních a teoretických zkoumání je nezbytná pro získání pochopení atomové úrovně toho, jak může povrchová transformace změnit vlastnosti fotoelektrody,” říká Choi.

„Naše spolupráce financovaná Národní vědeckou nadací je velmi produktivní,“ dodal Galli.

Dále budou vědci zkoumat, jak fotoelektrody vanadičnanu bismutitého interagují s vrstvou katalyzátoru nanesenou na povrch povrchu fotoelektrody, aby se usnadnila oxidace vody.

„Věříme, že výsledky odvozené z naší studie poslouží jako důležitý základ pro budoucí studie,“ uvedla Liu.

„Uznáváme důležitou součást složité skládačky pro oddělování vody a těšíme se na další zkoumání způsobů, jak zlepšit výrobu solárního paliva jako udržitelné alternativy k fosilním palivům,“ dodal Galli.

Odkaz: „Vliv složení na mezipovrchovou energetiku a fotoelektrochemické vlastnosti BiVO4„Autor: Dongho Lee, Wennie Wang, Chenyu Zhou, Xiao Tong, Mingzhao Liu, Giulia Galli a Kyoung-Shin Choi, 18. února 2021, Energie v přírodě.
DOI: 10.1038 / s41560-021-00777-x

Tato práce je financována National Science Foundation a využívá výpočetní počátky výzkumného výpočetního centra University of Chicago. Práce Brookhavena je implementována v uživatelských zařízeních pro syntézu a charakterizaci materiálů a proximálních sond a je financována z Office of Science of Department of Science.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Objeven vzácný supravodič – může být rozhodující pro budoucnost kvantové práce na počítači

Výzkum vedený Kentem a laboratoří STFC Rutherford Appleton Laboratory vedl k objevu nového vzácného topologického supravodiče LaPt3P. Tento objev může mít velký význam pro...

Mimořádný příklad toho, jak voda a led mohou formovat zemi

29. května 2021 Jedna z největších delt na světě je pozoruhodným příkladem toho, jak voda a led mohou formovat pevninu. Delta Yukon-Kuskokswim je jednou z největších...

Prehistorický typ člověka, který byl dříve vědě neznámý

Statická lebka, dolní čelist a temenní pravopis. Fotografický kredit: Tel Avivská univerzita Dramatický objev během izraelských vykopávek Objev nové homo skupiny v této oblasti, která...

Jak vznikla supermasivní černá díra

Výzkum vedený Kalifornskou univerzitou, Riverside poukázal na semeno černé díry vytvořené zhroucením halo temné hmoty. Supermasivní černé díry neboli SMBH jsou černé díry s hmotností...

MIT dosahuje významného pokroku směrem k plné implementaci kvantového výpočtu

Nastavitelná spojka může zapnout a vypnout interakci qubit-qubit. Nežádoucí, zbytkové (ZZ) interakce mezi dvěma qubity jsou eliminovány použitím vyšších úrovní energie v konektoru....

Newsletter

Subscribe to stay updated.