Promovarea progresului în ceea ce privește combustibilii solari obținuți din separarea apei

Oamenii de știință au folosit atât computere, cât și microscopuri pentru a găsi o modalitate de a crește potențial performanța echipamentelor de a folosi soarele pentru a separa apa și a crea hidrogen ca combustibil durabil. Credit: Ilustrație de Peter Allen

Cercetările efectuate de Școala de Inginerie Moleculară Pritzker pot ajuta la transformarea hidrogenului în utilă și durabilă.

Hidrogenul este un combustibil incredibil de puternic și ingredientele sunt peste tot – în apa veche veche. Cercetătorii ar dori să o poată folosi pe scară largă ca sursă de energie curată și durabilă.

O captură, totuși, este că este necesară o cantitate considerabilă de energie pentru a separa apa și a produce hidrogen. Așadar, oamenii de știință au lucrat la fabricarea materialelor pentru fotoelectrozi care pot folosi energia solară pentru a împărți apa, creând un „combustibil solar” care poate fi stocat pentru o utilizare ulterioară.

Oamenii de știință cu Universitatea din Chicago, Universitatea din Wisconsin – Madison și Laboratorul Național Brookhaven au publicat o nouă descoperire în crearea unor astfel de fotoelectrozi. Cercetarea lor, raportată în Energia naturii pe 18 februarie 2021, demonstrează că modificarea stratului superior de atomi de pe suprafața electrozilor le poate crește semnificativ performanța.

„Rezultatele noastre sunt esențiale pentru înțelegerea și îmbunătățirea fotoelectrozilor utilizați în producția de combustibil solar”, a declarat Giulia Galli, profesor de familie Liew inginerie moleculară și profesor de chimie la UChicago, om de știință principal la Laboratorul Național Argonne și autor al lucrării.

„Fiecare îmbunătățire pe care o facem ne apropie de promisiunea unui combustibil durabil în viitor”, a adăugat autorul corespondent Kyoung-Shin Choi, profesor de chimie la Universitatea din Wisconsin-Madison.

Galli și Choi sunt lideri teoretici și, respectiv, experimentali în domeniul combustibilului solar și au colaborat de câțiva ani pentru a proiecta și optimiza fotoelectrozi pentru producția de combustibil solar. Pentru a înțelege efectele compoziției suprafeței electrodului, au făcut echipă cu alumina UChicago Mingzhao Liu, MS’03, PhD’07, un om de știință din cadrul Centrului pentru Nanomateriale Funcționale din Laboratorul Național Brookhaven.

Un fotoelectrod funcționează prin absorbția energiei din lumina soarelui, care generează un potențial și un curent electric care poate separa apa în oxigen și hidrogen.

Echipa a investigat un material fotoelectrodic numit vanadat de bismut, care este promițător, deoarece absoarbe puternic lumina soarelui pe o gamă de lungimi de undă și rămâne relativ stabil în apă. În special, au vrut să investigheze suprafața electrodului. „Caracteristicile materialelor în vrac au fost studiate pe larg; cu toate acestea, impactul suprafeței asupra separării apei a fost dificil de stabilit “, a explicat Liu, un autor corespondent al lucrării.

„Fiecare îmbunătățire pe care o facem ne aduce mai aproape de promisiunea unui combustibil durabil în viitor.”

Kyoung-Shin Choi, profesor de chimie la Universitatea din Wisconsin – Madison

În Brookhaven, Liu și absolventul Chenyu Zhou au perfecționat o metodă de cultivare a bismut-vanadiu ca fotoelectrod cu o orientare și o structură de suprafață bine definite. „Cu toate acestea,” a spus Zhou, „știam că fotoelectrodul nostru are un pic mai mult vanadiu decât bismut la suprafață”. Trupa a vrut să știe dacă o versiune mai bogată de bismut ar funcționa mai bine.

La UW – Madison, Choi și absolventul Dongho Lee au găsit o modalitate de a schimba compoziția suprafeței fără a schimba compoziția restului electrodului și au fabricat o probă cu mai mulți atomi de bismut la suprafață.

Pentru a înțelege la nivel molecular ce se întâmplă, doi compuși de suprafață diferiți au fost examinați folosind instrumente speciale la Centrul pentru Nanomateriale Funcționale, inclusiv microscopia de scanare prin tunel. Wennie Wang, cercetător postdoctoral din grupul Galli, a comparat imagini microscopice experimentale și simulate și a identificat modele de structură a suprafeței care imitau îndeaproape probele experimentale.

“Calculele noastre mecanice cuantice au furnizat o multitudine de informații, inclusiv proprietățile electronice ale suprafeței și pozițiile exacte ale atomilor”, a spus Wang. „Aceste informații s-au dovedit a fi critice pentru interpretarea experimentelor.”

Apoi, echipa a comparat ceea ce s-a întâmplat când lumina a lovit suprafețele. Au descoperit că suprafețele cu un exces de atomi de bismut sunt mai favorabile reacțiilor de separare a apei.

„Când vanadatul de bismut absoarbe lumina, acesta generează electroni și situri electronice libere numite găuri”, a spus Lee. „Ceea ce am constatat este că suprafața finisată cu bismut ridică electronii către energii superioare și, de asemenea, conduce la o separare mai eficientă a electronilor de găuri – în general, având mai mulți atomi de bismut la suprafață favorizează reacțiile de separare a apei.

„Investigațiile noastre experimentale și teoretice strâns integrate au fost esențiale pentru a înțelege nivelul atomic al modului în care modificarea suprafeței poate modifica proprietățile unui fotoelectrod”, a spus Choi.

„Cooperarea noastră finanțată de National Science Foundation a fost extrem de fructuoasă”, a adăugat Galli.

Următorii cercetători vor explora modul în care interacționează fotoelectrodii vanadat de bismut cu un strat de catalizator aplicat pe partea superioară a suprafeței fotoelectrodului pentru a facilita oxidarea apei.

„Credem că rezultatele obținute din studiul nostru vor servi drept fundament esențial pentru studiile viitoare”, a spus Liu.

“Am identificat o parte importantă a puzzle-ului complex de partajare a apei și așteptăm cu nerăbdare să explorăm în continuare modalități de îmbunătățire a producției de combustibil solar ca alternativă durabilă la combustibilii fosili”, a adăugat Galli.

Referință: „Influența compoziției suprafeței asupra energiei interfeței și a proprietăților fotoelectrochimice ale BiVO.4De Dongho Lee, Wennie Wang, Chenyu Zhou, Xiao Tong, Mingzhao Liu, Giulia Galli și Kyoung-Shin Choi, 18 februarie 2021, Energia naturii.
DOI: 10.1038 / s41560-021-00777-x

Această lucrare a fost finanțată de National Science Foundation și a utilizat resurse de calcul de la Universitatea din Chicago Research Informatics Center. Lucrările din Brookhaven au fost efectuate pentru sinteza și caracterizarea materialelor și a instalațiilor folosind sonde proximale și finanțate de către Departamentul de Științe ale Energiei.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Nanofibrele centrifugale multifuncționale pun un nou efect asupra măștilor COVID-19

Figura (A) Ilustrația schematică a procesului de producție a nanofibrelor polimerului centrifug polimer multispinning. (B) Nanofibrele polimerice sunt rotite de sistem. O...

Arheologii găsesc dovezi din monumentele de câini domestici din Peninsula Arabică Antică

Situat în regiunea tărâmurilor Alula, în nord-vestul Arabiei Saudite, acest cimitir este acum rar construit pe pământ pentru Arabia Neolitică-Calcolitică și este un ajutor...

Pe măsură ce straturile de gheață s-au topit, nivelul mării a crescut până la 18 metri

Se știe că creșterea nivelului mării datorită schimbărilor climatice este o amenințare majoră. Noile cercetări au arătat că evenimentele anterioare de pierdere a...

Oamenii de știință identifică genele umane care luptă împotriva infecției cu SARS-CoV-2

Vedere microscopică a coronavirusului. Credit: Yeti punctat Cercetările indică controlul genelor care stimulează interferonul SARS-CoV-2 Copie Oamenii de știință de la Sanford Burnham Prebis au...

Noua tehnică „Mașina timpului” dezvăluită pentru măsurarea celulei

Celulele dendritice (roșii / verzi co-colorate) într-un folicul limfoid (fragment de peyer) drenează intestinul (albastru). Credit: Wang Cao și Shengbo Zhang, WEHI Utilizând o...

Newsletter

Subscribe to stay updated.