调谐电极表面驱动将水分成清洁燃料的阳光动力反应

调整电极表面以优化太阳能燃料生产

通过实验和理论的紧密耦合,科学家们在原子水平上显示了光电极表面组成的变化在光电化学性能中起着关键作用。信誉:芝加哥大学

一种表面原子经过修饰的电极材料产生更多的电流,从而驱动由阳光驱动的反应,将水分解为氧和氢——一种清洁的燃料。

科学家已经证明,改变电极表面最上层的原子可以对太阳能水分裂活动产生显著影响。正如他们报告的自然能源2021年2月18日,钒酸铋电极表面有更多的铋(相对于钒),当它们吸收阳光的能量时,会产生更多的电流。光电流驱动化学反应,将水分解为氧和氢。氢气可以作为清洁燃料储存起来。氢可以帮助我们实现一个清洁和可持续的能源未来。

“表面终止修改系统的界面能量,或者顶层与大部分,“共同通讯作者Mingzhao Liu表示,科学家在界面科学和催化中心的组织功能纳米材料(CFN),美国能源部(DOE)办公室用户设施布鲁克海文国家实验室。以铋为端的表面显示出的光电流比以钒为端的表面高50%。

“研究表面修饰与原子水平的影响对其起源的原子学理解是非常具有挑战性的,它需要紧密综合的实验和理论调查,”联合通讯作者Giulia Galli说芝加哥大学和Doe的argonne国家实验室。

威斯康星大学麦迪逊分校的共同通讯作者kyyoung - shin Choi补充说:“这还需要制备具有明确表面的高质量样品,以及独立于本体探测表面的方法。”

CFN多探头表面分析系统

功能纳米材料中心(CFN)近端探针设施的多探针表面分析系统。来源:布鲁克海文国家实验室

Choi和Galli分别是太阳能燃料领域的实验和理论领导者,他们已经合作多年来设计和优化用于生产太阳能燃料的光电电极。最近,他们开始设计策略来阐明电极表面组成的影响,并且,作为CFN用户,他们与Liu合作。

“从理论和计算中,Galli集团的Choi集团的专业知识的组合,以及物质合成和表征中的CFN对研究的成功至关重要,”刘评论了。yabovip2021

钒酸铋是一种很有前途的太阳能水分解电极材料,因为它在一定波长范围内强烈吸收阳光,并且在水中保持相对稳定。在过去的几年里,刘完善了一种精确生长这种材料单晶薄膜的方法。在真空室中,高能激光脉冲冲击多晶钒酸铋的表面。激光产生的热量使原子蒸发并落在基材表面形成薄膜。

“为了了解不同的表面末端如何影响光电化学活性,你需要能够制备具有相同取向和主体成分的晶体电极,”来自石溪大学的研究生研究员、论文合著者周晨宇解释说。“你要把苹果和苹果进行比较。”

随着生长,钒酸铋表面的铋与钒的比例几乎是1比1,钒略多一些。为了创造一个富含铋的表面,科学家们将一个样品放入一种强碱氢氧化钠溶液中。

“钒原子很容易被这种基本溶液从表面剥离,”第一作者Dongho Lee说,他是Choi的研究生研究员。“我们优化了碱浓度和样品浸泡时间,只去除表面的钒原子。”

为了确认这种化学处理改变了顶面层的组成,科学家们转向低能量离子散射光谱(leis)和CFN的扫描隧道显微镜(STM)。

在LEIS中,低能量的带电原子——在这种情况下,氦被指向样品。当氦离子撞击样品表面时,它们会以一种特定的模式散射开来,这取决于在最顶部存在的原子。根据研究小组的LEIS分析,经过处理的表面几乎完全含有铋,铋与钒的比例为80比20。

“诸如X射线光电子谱的其他技术也可以告诉您在表面上的原子,但信号来自几层表面,”刘说。“这就是为什么在这项研究中的士气如此至关重要 - 它允许我们只探测第一层表面原子。”

在STM中,在非常接近样品表面的地方扫描导电尖端,同时测量尖端和样品之间的隧穿电流。通过结合这些测量,科学家们可以绘制出表面原子的电子密度——电子在空间中的排列方式。通过比较STM处理前后的图像,研究小组发现,分别对应于富钒和富铋表面的原子排列模式有明显的不同。

”结合STM和花环允许我们识别原子结构和化学元素的顶端的表层光电极材料,”合著者小唐说,一个科学家在CFN界面科学和催化组和经理的多功能探针表面分析系统用于实验。“这些实验证明了该系统在基础研究应用中探索表面主导的结构-性质关系的能力。”

基于源自第一原理计算的表面结构模型的模拟STM图像(基于物理基本规律的那些)与实验结果密切相关。

“我们的第一原理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,”合著者、加利集团博士后王文妮说。“这一信息对于解释实验结果至关重要。”

在证明化学处理成功改变第一层原子后,该团队比较了经处理和非处理样品的光诱导的电化学行为。

Choi说:“我们的实验和计算结果都表明,富铋的表面能产生更有利的表面能量,并改善了水分解的光电化学性质。”“此外,这些表面将光电压推到了一个更高的值。”

许多次,光颗粒(光子)不提供足够的能量用于水分裂,因此需要外部电压来帮助执行化学。yabovip2021从能效的角度来看,您希望尽可能少施加额外的电力。

“当钒铋吸收光时,它会产生称为孔的电子和电子空位,”刘说。“这两种电荷载体都需要有足够的能量来对水分裂反应进行必要的化学方法:孔将水氧化成氧气,以及将水降至氢气中的电子。yabovip2021虽然孔具有足够多的能量,但是电子没有。我们发现的是,铋封端的表面将电子提升到更高的能量,使反应更容易。“

由于空穴可以很容易地与电子重新结合,而不是转移到水中,该团队做了额外的实验,以了解表面终止对光电化学性质的直接影响。他们测量了亚硫酸盐氧化两种样品的光电流。亚硫酸盐是硫和氧的化合物,是一种“空穴清除剂”,这意味着它能在空穴有机会与电子重新结合之前迅速吸收空穴。在这些实验中,铋端表面也增加了产生的光电流。

“重要的是,电极表面尽快执行这种化学,”刘说。yabovip2021“接下来,我们将探索应用于富含铋的表面顶部的助催化剂如何帮助加快向水中输送孔。”

想了解更多关于这项研究的信息,请阅读通过分解水获得太阳能燃料的突破性进展

参考文献:表面组成对BiVO界面能量学和光电化学性质的影响4.“由Dongho Lee,Wennie Wang,Chenyu Zhou,萧彤,明兆刘,朱利亚Galli和Kyoung-Shin Choi,2月2021年,自然能源
DOI: 10.1038 / s41560 - 021 - 00777 - x

Choi和Galli的工作得到了美国国家科学基金会的支持,并使用了芝加哥大学研究计算中心的计算资源。CFN的工作得到了美国能源部科学办公室的支持,并在材料合成、表征和近端探针设施中进行。

1条评论关于“调节电极表面以驱动由阳光驱动的反应,将水分解为清洁燃料”

  1. 约翰·雅加森|3月2日,2021年3:41|回复

    通过在S-i工艺中使用硫和碘的催化反应,在恒定高温热量的吐痰水上最有效地进行。热量来自专用于氢生产的核反应堆,任何MSR或钠反应器都可以做这项工作。这种反应堆可以在1SQ km的相对较小的占地面积中提供2gwth能量,使1GW恒定的氢气产量完全没有天气循环。反应堆的成本约为1亿美元。

    使用上面的太阳能apporach 1 gw的基本负载氢需要足够的土地和1000年代solar-splitters覆盖可能平方公里的土地,因为avg太阳能的输出是每平方米只有少数W。谁知道多少这样的系统成本,但我可以很容易地看到100美元1 gw的氢。它总是和能量密度有关。

    如果美国所有的化石燃料都完全被纯“清洁”的氢(不是经过蒸汽改造的)取代,美国将需要大约2太瓦的氢生产,因为一次能源使用大约是3太瓦。另外1TW将用于400gw的电力,最好是更多的MSR,尽管相同的反应堆设计。

    见“能量流图”

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