I strävan att förverkliga artificiell fotosyntes för att omvandla solljus, vatten, och koldioxid till bränsle – precis som växter gör – forskare behöver inte bara identifiera material för att effektivt utföra fotoelektrokemisk vattenklyvning, men också för att förstå varför ett visst material kanske fungerar eller inte. Nu har forskare vid Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) banat väg för en teknik som använder nanoskala avbildning för att förstå hur lokal, egenskaper i nanoskala kan påverka ett materials makroskopiska prestanda.

Deras studie, "Nanoskala avbildning av laddningsbärares transport i vattendelande anoder", har precis publicerats i Naturkommunikation . De ledande forskarna var Johanna Eichhorn och Francesca Toma från Berkeley Labs avdelning för kemiska vetenskaper.

"Denna teknik korrelerar materialets morfologi till dess funktionalitet, och ger insikter om laddningstransportmekanismen, eller hur laddningarna rör sig inuti materialet, på nanoskala, sa Toma, som också är forskare vid Joint Center for Artificial Photosynthesis, en Department of Energy Innovation Hub.

Konstgjord fotosyntes försöker producera energitätt bränsle med enbart solljus, vatten, och koldioxid som insatsvaror. Fördelen med ett sådant tillvägagångssätt är att det inte konkurrerar med livsmedelslagren och skulle ge inga eller låga utsläpp av växthusgaser. Ett fotoelektrokemiskt vattenklyvningssystem kräver specialiserade halvledare som använder solljus för att dela upp vattenmolekyler till väte och syre.

Vismutvanadat har identifierats som ett lovande material för en fotoanod, som ger laddningar för att oxidera vatten i en fotoelektrokemisk cell. "Detta material är ett exempel där effektivitet borde vara teoretiskt bra, men i experimentella tester observerar du faktiskt mycket dålig effektivitet, " sade Eichhorn. "Orsakerna till det är inte helt klarlagda."

Forskarna använde fotokonduktiv atomkraftsmikroskopi för att kartlägga strömmen vid varje punkt i provet med hög rumslig upplösning. Denna teknik har redan använts för att analysera lokal laddningstransport och optoelektroniska egenskaper hos solcellsmaterial men är inte känd för att ha använts för att förstå laddningsbärarens transportbegränsningar på nanoskala i fotoelektrokemiska material.

Eichhorn och Toma arbetade med forskare vid Molecular Foundry, en forskningsanläggning i nanoskala vid Berkeley Lab, på dessa mätningar genom Gjuteriets användarprogram. De fann att det fanns skillnader i prestanda relaterade till materialets morfologi i nanoskala.

"Vi upptäckte att sättet att använda avgifter inte är homogent över hela provet, men hellre, det finns heterogenitet, " Eichhorn sa. "Dessa skillnader i prestanda kan förklara dess makroskopiska prestanda - den övergripande produktionen av provet - när vi utför vattenklyvning."

För att förstå denna karaktäristik, Toma ger exemplet med en solpanel. "Låt oss säga att panelen har 22 procent effektivitet, " sa hon. "Men kan du säga i nanoskala, vid varje punkt i panelen, att det ger dig 22 procent effektivitet? Denna teknik gör att du kan säga, Ja eller nej, speciellt för fotoelektrokemiska material. Om svaret är nej, det betyder att det finns mindre aktiva fläckar på ditt material. I bästa fall minskar det bara din totala effektivitet, men om det finns mer komplexa processer, din effektivitet kan minskas mycket."

Den förbättrade förståelsen för hur vismutvanadatet fungerar kommer också att tillåta forskare att syntetisera nya material som kanske kan driva samma reaktion mer effektivt. Denna studie bygger på tidigare forskning av Toma och andra, där hon kunde analysera och förutsäga mekanismen som definierar (foto)kemisk stabilitet hos ett fotoelektrokemiskt material.

Toma sa att dessa resultat satte forskarna mycket närmare att uppnå effektiv artificiell fotosyntes. "Nu vet vi hur man mäter lokal fotoström i dessa material, som har mycket låg ledningsförmåga, ", sa hon. "Nästa steg är att lägga allt detta i en flytande elektrolyt och göra exakt samma sak. Vi har verktygen. Nu vet vi hur vi ska tolka resultaten, och hur man analyserar dem, vilket är ett viktigt första steg för att gå vidare."