Tre år sedan, Forskare vid University of Michigan upptäckte en artificiell fotosyntesanordning gjord av kisel och galliumnitrid (Si/GaN) som utnyttjar solljus till kolfritt väte för bränsleceller med dubbelt så effektiv och stabilitet som vissa tidigare tekniker.

Nu, forskare vid Department of Energy (DOE:s) Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) – i samarbete med University of Michigan och Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) – har upptäckt en överraskande, självförbättrande egenskap i Si/GaN som bidrar till materialets mycket effektiva och stabila prestanda vid omvandling av ljus och vatten till kolfritt väte. Deras resultat, redovisas i tidskriften Naturmaterial , skulle kunna bidra till att radikalt påskynda kommersialiseringen av artificiell fotosyntesteknik och vätebränsleceller.

"Vår upptäckt är en riktig spelväxlare, " sa seniorförfattaren Francesca Toma, en stabsforskare vid avdelningen för kemiska vetenskaper vid Department of Energys Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). Vanligtvis, material i solbränslesystem försämras, bli mindre stabil och därmed producera väte mindre effektivt, Hon sa. "Men vi upptäckte en ovanlig egenskap i Si/GaN som på något sätt gör det möjligt för den att bli mer effektiv och stabil. Jag har aldrig sett en sådan stabilitet."

Tidigare artificiella fotosyntesmaterial är antingen utmärkta ljusabsorbenter som saknar hållbarhet; eller så är de hållbara material som saknar ljusabsorptionseffektivitet.

Men kisel och galliumnitrid är rikliga och billiga material som används flitigt som halvledare i vardagselektronik som LED (ljusemitterande dioder) och solceller, sa medförfattaren Zetian Mi, en professor i el- och datorteknik vid University of Michigan som uppfann Si/GaN artificiella fotosyntesanordningar för ett decennium sedan.

När Mi:s Si/GaN-enhet uppnådde en rekordstor effektivitet på 3 procent sol-till-väte, han undrade hur sådana vanliga material kunde fungera så utomordentligt bra i en exotisk artificiell fotosyntesanordning - så han vände sig till Toma för att få hjälp.

HydroGEN:Att ta en Team Science-inställning till solbränslen

Mi hade lärt sig om Tomas expertis inom avancerade mikroskopitekniker för att undersöka egenskaperna i nanoskala (miljarddelar av en meter) hos artificiella fotosyntesmaterial genom HydroGEN, ett femnationellt labbkonsortium som stöds av DOE:s Hydrogen and Fuel Cell Technologies Office, och leds av National Renewable Energy Laboratory för att underlätta samarbeten mellan National Labs, akademin, och industri för utveckling av avancerade vattenklyvningsmaterial. "Dessa interaktioner mellan att stödja industri och akademi för avancerade vattenklyvningsmaterial med kapaciteten hos National Labs är exakt varför HydroGEN bildades - så att vi kan flytta nålen på ren väteproduktionsteknologi, sa Adam Weber, Berkeley Labs Hydrogen and Fuel Cell Technologies Lab Programchef och biträdande direktör för HydroGEN.

Toma och huvudförfattaren Guosong Zeng, en postdoktor vid Berkeley Labs Chemical Sciences Division, misstänkte att GaN kan spela en roll i enhetens ovanliga potential för väteproduktionseffektivitet och stabilitet.

Att få reda på, Zeng genomförde ett fotokonduktivt atomkraftmikroskopexperiment i Tomas labb för att testa hur GaN-fotokatoder effektivt kunde omvandla absorberade fotoner till elektroner, och sedan rekrytera de fria elektronerna för att dela vatten till väte, innan materialet började brytas ned och bli mindre stabilt och effektivt.

De förväntade sig att se en brant nedgång i materialets fotonabsorptionseffektivitet och stabilitet efter bara några timmar. Till deras förvåning, de observerade en förbättring av 2-3 storleksordningar i materialets fotoström från små fasetter längs "sidoväggen" av GaN-kornet, sa Zeng. Ännu mer förbryllande var att materialet hade ökat sin effektivitet med tiden, även om den övergripande ytan på materialet inte förändrades så mycket, sa Zeng. "Med andra ord, istället för att bli sämre, materialet blev bättre, " han sa.

För att samla fler ledtrådar, forskarna rekryterade sveptransmissionselektronmikroskopi (STEM) vid National Center for Electron Microscopy i Berkeley Labs Molecular Foundry, och vinkelberoende röntgenfotonspektroskopi (XPS).

Dessa experiment visade att ett 1 nanometer lager blandat med gallium, kväve, och syre – eller galliumoxinitrid – hade bildats längs några av sidoväggarna. En kemisk reaktion hade ägt rum, lägga till "aktiva katalytiska platser för väteproduktionsreaktioner, sa Toma.

Density functional theory (DFT) simuleringar utförda av medförfattarna Tadashi Ogitsu och Tuan Anh Pham vid LLNL bekräftade deras observationer. "Genom att beräkna förändringen av distributionen av kemiska arter på specifika delar av materialets yta, vi hittade framgångsrikt en ytstruktur som korrelerar med utvecklingen av galliumoxinitrid som ett väteutvecklingsreaktionsställe, ", sa Ogitsu. "Vi hoppas att våra resultat och tillvägagångssätt – ett tätt integrerat teori-experimentsamarbete som möjliggörs av HydroGEN-konsortiet – kommer att användas för att ytterligare förbättra den förnybara väteproduktionstekniken."

Mi tillade:"Vi har arbetat med det här materialet i över 10 år – vi vet att det är stabilt och effektivt. Men detta samarbete hjälpte till att identifiera de grundläggande mekanismerna bakom varför det blir mer robust och effektivt istället för att förnedra. Resultaten från detta arbete kommer att hjälpa oss att bygga mer effektiva artificiella fotosyntesenheter till en lägre kostnad."

Blickar framåt, Toma sa att hon och hennes team skulle vilja testa Si/GaN-fotokatoden i en vattendelande fotoelektrokemisk cell, och att Zeng kommer att experimentera med liknande material för att få en bättre förståelse för hur nitrider bidrar till stabilitet i artificiella fotosyntesapparater – vilket är något de aldrig trodde skulle vara möjligt.

"Det var helt överraskande, " sa Zeng. "Det var inte vettigt – men Phams DFT-beräkningar gav oss den förklaring vi behövde för att validera våra observationer. Våra resultat kommer att hjälpa oss att designa ännu bättre konstgjorda fotosyntesanordningar."

"Detta var ett aldrig tidigare skådat nätverk av samarbete mellan National Labs och ett forskningsuniversitet, ", sa Toma. "Konsortiet HydroGEN förde oss samman – vårt arbete visar hur National Labs Team Science-strategi kan hjälpa till att lösa stora problem som påverkar hela världen."