I kampen mot klimatförändringarna, forskare har sökt efter sätt att ersätta fossila bränslen med kolfria alternativ som vätebränsle.

En enhet känd som en fotoelektrisk kemisk cell (PEC) har potential att producera vätebränsle genom artificiell fotosyntes, en framväxande förnybar energiteknik som använder energi från solljus för att driva kemiska reaktioner som att dela vatten till väte och syre.

Nyckeln till en PEC:s framgång ligger inte bara i hur väl dess fotoelektrod reagerar med ljus för att producera väte, men också syre. Få material kan göra detta bra, och enligt teorin, ett oorganiskt material som kallas vismutvanadat (BiVO ₄ ) är en bra kandidat.

Ändå är denna teknik fortfarande ung, och forskare inom området har kämpat för att göra en BiVO ₄ fotoelektrod som lever upp till sin potential i en PEC-enhet. Nu, som rapporterats i tidskriften Små , en forskargrupp ledd av forskare vid Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) och Joint Center for Artificial Photosynthesis (JCAP), en DOE Energy Innovation Hub, har fått viktig ny insikt om vad som kan hända i nanoskala (miljarddelar av en meter) för att hålla BiVO ₄ tillbaka.

"När du gör ett material, såsom ett oorganiskt material som vismutvanadat, du kan anta, bara genom att titta på det med blotta ögat, att materialet är homogent och enhetligt genomgående, " sa seniorförfattaren Francesca Toma, en stabsforskare vid JCAP i Berkeley Labs Chemical Sciences Division. "Men när du kan se detaljer i ett material på nanoskala, plötsligt är det du antog var homogent faktiskt heterogent – ​​med en ensemble av olika egenskaper och kemiska sammansättningar. Och om du vill förbättra ett fotoelektrodmaterials effektivitet, du behöver veta mer om vad som händer på nanoskala."

Röntgenstrålar och simuleringar ger en tydligare bild i fokus

I en tidigare studie med stöd av Laboratory Directed Research and Development-programmet, Toma och huvudförfattaren Johanna Eichhorn utvecklade en speciell teknik med hjälp av ett atomkraftsmikroskop vid Berkeley Labs JCAP-laboratorium för att fånga bilder av tunnfilmsvismutvanadat i nanoskala för att förstå hur ett materials egenskaper kan påverka dess prestanda i en artificiell fotosyntesanordning. (Eichhorn, som för närvarande är vid Walter Schottky Institute vid Tekniska universitetet i München i Tyskland var forskare vid Berkeley Labs avdelning för kemiska vetenskaper vid tidpunkten för studien.)

Den aktuella studien bygger på det banbrytande arbetet genom att använda ett skanningstransmissionsröntgenmikroskop (STXM) vid Berkeley Labs avancerade ljuskälla (ALS) (als.lbl.gov/), en synkrotronanvändarfunktion, att kartlägga förändringar i ett tunnfilmshalvledande material tillverkat av molybdenvismutvanadat (Mo-BiVO ₄ ).

Forskarna använde vismutvanadat som ett exempel på en fotoelektrod eftersom materialet kan absorbera ljus i det synliga området i solspektrumet, och när de kombineras med en katalysator, dess fysikaliska egenskaper gör det möjligt för den att göra syre i vattenuppdelningsreaktionen. Vismutvanadat är ett av få material som kan göra detta, och i detta fall, tillsats av en liten mängd molybden till BiVO ₄ på något sätt förbättrar dess prestanda, förklarade Toma.

När vattnet delas i H2 och O2, väte-väte- och syre-syrebindningar behöver bildas. Men om något steg i vattenklyvningen inte är synkroniserat, oönskade reaktioner kommer att hända, vilket kan leda till korrosion. "Och om du vill skala upp ett material till en kommersiell vattenklyvningsanordning, ingen vill ha något som förnedrar. Så vi ville utveckla en teknik som kartlägger vilka regioner på nanoskala som är bäst på att tillverka syre, " förklarade Toma.

Arbetar med ALS-personalforskaren David Shapiro, Toma och hennes team använde STXM för att ta högupplösta mätningar i nanoskala av korn i en tunn film av Mo-BiVO ₄ som materialet bryts ned som svar på den vattenspjälkande reaktionen som utlösts av ljus och elektrolyten.

"Kemisk heterogenitet på nanoskala i ett material kan ofta leda till intressanta och användbara egenskaper, och få mikroskopitekniker kan undersöka molekylstrukturen hos ett material i denna skala, "STXM-instrumenten vid den avancerade ljuskällan är mycket känsliga sonder som oförstörande kan kvantifiera denna heterogenitet vid hög rumslig upplösning och kan därför ge en djupare förståelse av dessa egenskaper."

David Prendergast, tillförordnad divisionschef för Molecular Foundry, och Sebastian Reyes-Lillo, en tidigare postdoktor vid gjuteriet, hjälpte teamet förstå hur Mo-BiVO ₄ svarar på ljus genom att utveckla beräkningsverktyg för att analysera varje molekyls spektrala "fingeravtryck". Reyes-Lillo är för närvarande professor vid Andres Bello University i Chile och användare av Molecular Foundry. Molecular Foundry är en nationell användaranläggning för Nanoscale Science Research Center.

"Prendergasts teknik är verkligen kraftfull, ", sa Toma. "Ofta när man har komplexa heterogena material gjorda av olika atomer, de experimentella data du får är inte lätt att förstå. Detta tillvägagångssätt berättar hur du tolkar dessa data. Och om vi har en bättre förståelse av data, vi kan skapa bättre strategier för att göra Mo-BiVO ₄ fotoelektroder mindre känsliga för korrosion under vattenuppdelning."

Reyes-Lillo tillade att Tomas användning av denna teknik och arbetet på JCAP möjliggjorde en djupare förståelse av Mo-BiVO ₄ det skulle annars inte vara möjligt. "Tillvägagångssättet avslöjar elementspecifika kemiska fingeravtryck av ett material lokala elektroniska struktur, vilket gör den särskilt lämpad för studier av fenomen på nanoskala. Vår studie representerar ett steg mot att förbättra prestandan hos halvledande BiVO ₄ - baserade material för solbränsleteknik, " han sa.

Nästa steg

Forskarna planerar sedan att vidareutveckla tekniken genom att ta STXM-bilder medan materialet är i drift så att de kan förstå hur materialet förändras kemiskt som en fotoelektrod i ett modell-PEC-system.

"Jag är väldigt stolt över detta arbete. Vi måste hitta alternativa lösningar till fossila bränslen, och vi behöver förnybara alternativ. Även om den här tekniken inte är redo för morgondagen, vår teknik – tillsammans med de kraftfulla instrument som är tillgängliga för användare på Advanced Light Source och Molecular Foundry – kommer att öppna upp nya vägar för förnybar energiteknik för att göra skillnad."