突破通过分裂水制成的太阳能燃料

用阳光来分裂

科学家们使用计算机和显微镜来提出一种方法来潜在地提高装置的性能,使得阳光分开水并将氢气作为可持续燃料产生氢气。信用:彼得艾伦的插图

普利兹克分子工程学院(Pritzker School of Molecular Engineering research)可以帮助制造出有用的、可持续的氢燃料。

氢气是一种令人难以置信的强大燃料,而且食材均在普通的旧水中。研究人员愿意能够广泛使用它作为干净和可持续的能源。

然而,一个捕获是将水和制造氢气所需的相当大量的能量。因此,科学家们一直在努力制造光电系的材料,这些材料可以使用太阳能来分裂水,从而产生可以储存的“太阳能燃料”供以后使用。

科学家的芝加哥大学美国威斯康辛大学麦迪逊分校和布鲁克海文国家实验室发表了一项制造这种光电电极的新突破。他们的研究报告在自然能源他在2021年2月18日发表的一项研究表明,修改电极表面最上层的原子可以显著提高其性能。

“我们的结果对太阳能燃料生产中使用的理解和改进光电系列至关重要,”乌克兰国家实验室高级科学家乌克兰国家实验室高级科学家的分子工程教授和化学教授吉林··戈里yabovip2021。

威斯康星大学麦迪逊分校的化学教授、共同通讯作者kyyoung - shin Choi补充说:“我们的每一次改进都让我们离可持续未来燃料的承诺更近了一步。”yabovip2021

Galli和Choi分别是太阳能燃料领域的理论和实验领导者,并且已经合作了多年的时间来设计和优化光电系数生产太阳能燃料。要了解电极表面成分的影响,它们与Uchicago Alum Mingzhao Liu,MS'03,Phd'07,Brookhaven国家实验室功能纳米材料中心的员工科学家合作。

通过从阳光吸收能量的能量来制造光电极,产生可以将水分成氧气和氢气的电位和电流。

该团队调查了一种称为铋钒酸盐的光电电极材料,这是有希望的,因为它在一系列波长范围内强烈吸收阳光,并且在水中保持相对稳定。特别是,他们想研究电极表面。“散装材料的性质已被广泛研究;然而,表面对水分裂的影响已经具有挑战性,“刘先生的作者解释说,”刘“解释说。

“我们使我们使我们更接近可持续未来燃料的承诺。”

- - - - - -威斯康星大学麦迪逊大学化学教授Kyoung-Shin Choiyabovip2021

在Brookhaven,刘和研究生陈宇周已经完善了一种钒酸盐作为光电极的钒酸铋的方法,具有明确定义的取向和表面结构。“然而,”周说,“我们知道我们的光电电极比表面上的铋稍微钒。”小组想知道是否有更丰富的富有铋版本会具有更好的性能。

在威斯康辛大学麦迪逊分校,Choi和研究生Dongho Lee找到了一种方法,在不改变电极其余部分组成的情况下改变表面组成,他们制作了一个表面有更多铋原子的样品。

为了在分子水平上了解发生了什么,在功能纳米材料中心使用特殊的仪器(包括扫描隧道显微镜)检测了两种不同的表面成分。王文妮(Wennie Wang)是加利研究组的博士后学者,她对比了实验和模拟显微镜图像,发现了与实验样品非常相似的表面结构模型。

“我们的量子力学计算提供了丰富的信息,包括表面的电子性质和原子的确切位置,”王说。“此信息据衷手是对解释实验至关重要的。”

接下来,球队比较了灯光击中表面时发生了什么。他们发现具有过量的铋原子的表面更有利于水分裂反应。

“当钒酸铋吸收光时,它会产生电子和称为空穴的电子,”Lee说。“我们发现,以铋为末端的表面将电子提升到更高的能量,同时也导致电子从空穴中更有效地分离——总体而言,表面有更多铋原子有利于水的分裂反应。”

“我们的紧密综合的实验和理论调查对于获得原子水平的理解至关重要,了解表面改性如何改变光电电极的性质,”Choi说。

加利补充说:“我们由美国国家科学基金会资助的合作成果丰硕。”

接下来,研究人员将探索钒酸铋光电电极如何与涂在光电电极表面的催化剂层相互作用,从而促进水的氧化。

“我们相信从我们的研究中获得的结果将作为未来研究的重要基础,”刘说。

加利补充说:“我们发现了水分解这一复杂难题的重要组成部分,我们期待着继续探索提高太阳能燃料产量的方法,作为化石燃料的可持续替代品。”

参考:“表面组成对体育界界面能量和光电化学性质的影响4作者:李东镐,王文妮,周晨宇,童晓,刘明昭,Giulia Galli, Choi Kyoung-Shin, 2021年2月18日,自然能源
DOI:10.1038 / s41560-021-00777-x

这项工作由国家科学基金会和芝加哥大学研究计算中心的使用计算资源提供资金。Brookhaven的工作是在材料综合和特征和近端探测用户设施中进行的,由能源科学厅资助。

1评论论“分裂水制造的太阳能燃料突破”

  1. 所以,请告诉我们生产1千兆瓦氢平均产量的成本和土地使用是多少,我的猜测是没有人知道,因为我们不知道电池效率是多少。

    我估计,一个MSR反应堆,比如Moltex想要在1GW的基础负荷范围内建造S-I氢发电交换发电的反应堆,大约需要10亿美元,这和他们的1GW发电厂的目标差不多。几英亩的土地用于建造反应堆,而更多的土地用于建造类似于炼油厂的化学工厂。yabovip2021

    希望有更多的人学习和建设S-I进程,而不是中国的tsmrr /LFTR项目。

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