Solen är en riklig källa till förnybar energi, som kan fångas upp och omvandlas till användbar el. Dock, för att solen inte alltid skiner, energitillförseln är inte kontinuerlig. Vi behöver ett sätt att lagra solens energi så att den kan frigöras på begäran under "off"-tider, som nattetid och i molniga förhållanden.

Ett alternativ är att använda solenergi för att driva kemiska reaktioner som genererar bränsle. Till exempel, solenergi kan omvandlas till väte – ett energitätt och rent brinnande bränsle – genom vattenklyvning. För att driva denna reaktion, två elektroder gjorda av ljusabsorberande halvledande material är sammankopplade och nedsänkta i vatten. Solljus som träffar elektroderna skapar en elektrisk ström som delar vatten i dess två komponenter:väte och syre.

"Vi behöver låga kostnader, allmänt tillgänglig, och miljövänliga halvledare som kan absorbera ljus över en rad våglängder och effektivt utföra oxidation av vatten till syrgas, den mest utmanande delen av reaktionen, " förklarade Mingzhao Liu, en stabsforskare i Interface Science and Catalysis Group vid Center for Functional Nanomaterials (CFN) vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Brookhaven National Laboratory. "När de utsätts för syre, halvledare kan lätt bli korroderade."

Till exempel, kisel, halvledaren som vanligtvis används i solceller, korroderar snabbt när de utsätts för syre. Titandioxid har visat hög stabilitet och elektrisk ledningsförmåga, men det absorberar bara ultraviolett (UV) ljus, som bara står för cirka sex procent av all solstrålning som tas emot på jordens yta. En annan lovande kandidat är vismutvanadat. Tillverkad av vismut, vanadin, och syre (BVO), denna gulfärgade, giftfritt material har hög stabilitet och kan absorbera både UV och synligt ljus. Dock, det är en dålig ledare av elektricitet, begränsar dess sol-till-väte-omvandlingseffektivitet.

Under de senaste åren, Liu har lett ett försök att odla högkvalitativt BVO och förbättra dess prestanda för uppdelning av solvatten. Som Liu förklarade, BVO är ett komplicerat material eftersom det är gjort av två olika metaller och syre. Om förhållandet mellan atomer inte är exakt ett till ett, defekter kan oavsiktligt införas. Dessa defekter gör det svårt att studera materialets verkliga egenskaper och upptäcka dess inneboende begränsningar.

För att skapa tunna filmer av BVO med hög renhet och kristallin struktur, Liu har använt pulsad laseravsättning. I denna teknik, en fokuserad UV-laser värmer ett målmaterial med den önskade elementsammansättningen inuti en vakuumkammare. Eftersom laserpulsernas energi är mycket intensiv, atomer på ytan av målmaterialet förångas och kondenserar på ett substrat för att bilda en tunn film.

"När vi har ett defektfritt kristallint material, då kan vi fråga hur kan vi förbättra det?" sa Liu.

I en studie publicerad tidigare i år, Liu, CFN-kollegor, och teoretiker från University of California (UC), Santa Cruz, undersökte hur den elektriska ledningsförmågan hos BVO kunde förbättras genom att tillsätta små mängder andra material till det (en process som kallas doping) via pulsad laseravsättning. Teoretikernas elektroniska strukturberäkningar visade att litium skulle vara ett idealiskt dopmedel att testa experimentellt; litium skulle lätt bidra med en elektron till systemet vid rumstemperatur och vara tillräckligt liten för att passa in i hålrum i gittret utan att nämnvärt påverka dess struktur.

Efter syntetisering av BVO-tunna filmer dopade med en optimal mängd litium, teamet genomförde en serie elektron- och röntgenbaserade karakteriseringsstudier vid CFN och Brookhavens National Synchrotron Light Source II (NSLS-II). Dessa studier bekräftade renheten hos filmerna och avsaknaden av gitterförvrängningar efter litiumdopning. Sedan, teamet mätte de elektroniska transportegenskaperna och fotoelektrokemiska prestanda för den litiumdopade BVO. Enligt dessa experiment, litiumdopning ökade ledningsförmågan hos BVO med nästan två storleksordningar och dess vattenoxidationsaktivitet med 20 procent, jämfört med ren BVO.

"Teoriprediktion och experimentell validering går hand i hand för att snabbt skapa nya material för energiomvandling, sa Yuan Ping, en biträdande professor vid avdelningen för kemi och biokemi och huvudutredare för Ping-gruppen vid UC Santa Cruz.

I en annan ny studie, Liu och medarbetare från University of Chicago och University of Wisconsin–Madison undersökte effekten av lediga syrgaser på den elektroniska strukturen och transportegenskaperna hos BVO i dess mest energimässigt stabila orientering. Som Liu förklarade, platser i gittret där syre saknas är inneboende i oxidmaterial, även utan dopning. Med hjälp av beräkningsmetoder, teamet skapade en strukturell modell av BVO och validerade denna modell genom att jämföra beräknade och experimentella elektroniska tillstånd. Deras resultat antydde att syrevakanser i materialets bulk (inuti) bidrar till konduktiviteten, medan de vid ytan inte och faktiskt kan hindra ledningsförmågan.

"Syrevakanserna vid ytan fungerar mer som laddningsfällor, " sa Liu. "När avgifter går dit, de blir lokaliserade och fastnar."

Uppföljningsstudier behövs för att förstå hur syrevakanser på ytan och deras tendens att immobilisera laddningar påverkas när BVO sänks ned i vatten och arbetar tillsammans med en co-katalysator för att förbättra laddningsöverföringen. Forskarna kommer att undersöka om övergångsmetalloxider effektivt kan fungera som co-katalysatorer. De kommer också att utforska hur aktiviteten av solvattenspjälkning beror på vilken typ av atomer (vismut eller vanadin) som avslutar ytskiktet.

"I båda studierna, det nära samarbetet mellan experimentalister och teoretiker var nyckeln till vår framgång, ", sa Liu. "Vi ser fram emot att fortsätta dessa samarbeten för att ytterligare utöka vår förståelse av BVO och identifiera mekanismer för att öka dess prestanda."