Elektrodų paviršių sureguliavimas, siekiant nukreipti reakcijas, atsirandančias dėl saulės spindulių, vandenį skaidant į švarų kurą

Dėl glaudaus eksperimento ir teorijos ryšio mokslininkai atominiame lygmenyje parodė, kaip fotoelektrodo paviršiaus sudėties pokyčiai vaidina lemiamą vaidmenį fotoelektrocheminiame darbe. Kreditas: Čikagos universitetas

Medžiagos elektrodas, turintis paviršiaus atomus, sukuria daugiau elektros srovės, o tai sukelia saulės spindulių reakcijas, kurios vandenį dalija į deguonį ir vandenilį – švarų kurą.

Mokslininkai įrodė, kad pakeitus aukščiausią atomų sluoksnį ant elektrodų paviršiaus, gali būti reikšmingas poveikis saulės vandens skaidymo veiklai. Kaip pranešta Gamtos energija 2021 m. Vasario 18 d. Bismuto elektrodai, kurių paviršiuje yra daugiau bismuto (vanadžio), sugeria saulės spindulių energiją, sukuria didesnį elektros srovės kiekį. Ši fotosrovė skatina chemines reakcijas, kurios dalija vandenį į deguonį ir vandenilį. Tada vandenilį galima laikyti kaip švarų kurą. Kai jis rekombinuojamas su deguonimi, kad kuro elementuose būtų generuojama elektra, tai gali padėti pasiekti švarią ir tvarią ateitį.

“Paviršiaus apdaila keičia energiją sistemos sąsajoje arba viršutinio sluoksnio santykį su indu”, – sakė autorius Mingzhao Liu. JAV Energetikos departamentas (DOE) Brookhaveno nacionalinė mokslo vartotojų laboratorija. “Bismuto galo paviršiuje matoma 50% didesnė nei vanadžio gale fotosrovė”.

“Labai sunku ištirti paviršiaus pokyčių poveikį jų kilmės suvokimui atominiame lygmenyje, todėl eksperimentiniai ir teoriniai tyrimai turi būti labai integruoti”, – sakė autorė Giulia Galli. Čikagos universitetas ir DOE Argonne nacionalinė laboratorija.

“Mes taip pat turime paruošti aukštos kokybės mėginius su tiksliai apibrėžtais paviršiais ir metodais, kad tyrinėtume paviršius nepriklausomai nuo indo”, – pridūrė autorius Kyoung-Shin Choi iš Viskonsino-Madisono universiteto.

CFN daugiasluoksnė sistema

Įvairių paviršių analizės sistema funkcinių nanomedžiagų centro (CFN) įrenginyje „Proximal Probes Facility“. Kreditas: Brookhaveno nacionalinė laboratorija

Eksperimentiniai ir teoriniai saulės kuro srities lyderiai Choi ir Galli kelerius metus bendradarbiavo kurdami ir optimizuodami saulės elektrinių gamybos fotoelektrodus. Neseniai jie pradėjo kurti strategijas, kad išsiaiškintų elektrodo paviršiaus sudėties poveikį, ir, būdami CFN vartotoju, kartu su Liu.

“Choi grupės, kuri specializuojasi fotoelektrochemijoje, derinys,” Galli “grupė, kurios specializacija yra teorija ir skaičiavimas, bei CFN medžiagų sintezė ir apibūdinimas buvo lemiamas veiksnys siekiant sėkmės tyrime”, – komentavo Liu.

Bismuto vanadatas yra perspektyvi medžiaga saulės vandens elektrodams suskaidyti, nes jis sugeria saulės šviesą daugeliu bangų ilgių ir palaiko ją gana stabiliai vandenyje. Pastaraisiais metais Liu tobulino šios medžiagos smulkių kristalinių plėvelių tiksliai auginimo metodą. Didelės energijos lazerio impulsai patenka į polikristalinio bismuto vanadato paviršių vakuumo kameros viduje. Lazerio šiluma išgarina atomus ir nusileidžia ant pagrindinės medžiagos (substrato) paviršiaus, formuodama ploną plėvelę.

„Norėdami pamatyti, kaip skirtingi paviršiaus apdailos elementai veikia fotoelektrocheminį aktyvumą, turite paruošti tos pačios orientacijos ir laisvos sudėties kristalinius elektrodus“, – aiškina autorius Chenyu Zhou, magistras Stony Brook universitete, dirbantis su Lony. – Norite palyginti obuolius su obuoliais.

Augdamas bismuto vanadatas beveik paviršiuje palaiko bismuto ir vanadžio ryšį, o vanadžio yra šiek tiek daugiau. Norėdami sukurti paviršių, kuriame gausu bismuto, mokslininkai įdėjo mėginį į natrio hidroksido tirpalą, kietą pagrindą.

“Vanadžio atomai turi stiprų polinkį būti pašalinti iš paviršiaus per šį pagrindinį sprendimą”, – sakė pirmasis autorius Dongho Lee, licencijuotas tyrėjas, dirbantis su Choi. “Mes optimizavome bazinę koncentraciją ir mėginio panardinimo laiką, kad pašalintume tik paviršiaus vanadžio atomus.”

Norėdami patvirtinti, kad šis cheminis apdorojimas pakeitė viršutinio paviršiaus sluoksnio sudėtį, mokslininkai kreipėsi į mažos energijos jonų sklaidos spektroskopiją (LEIS) ir nuskaitymo tunelio mikroskopiją (STM) CFN.

LEIS sistemoje į mėginį nukreipiami atomai, turintys mažai energijos naudojančią elektrą – šiuo atveju helis. Kai helio jonai atsitrenkia į mėginio paviršių, jie išsiskiria savitu modeliu pagal viršuje esančius atomus. Remiantis grupės LEIS analize, apdorotas paviršius buvo beveik visas bismutas, kurio bismuto ir vanadžio santykis buvo nuo 80 iki 20.

“Kiti metodai, tokie kaip rentgeno fotoelektronų spektroskopija, gali pasakyti, kokie atomai yra paviršiuje, tačiau signalai gaunami iš skirtingų paviršiaus sluoksnių”, – paaiškina Liu. “Štai kodėl LEIS buvo toks kritiškas atliekant šį tyrimą; tai leido mums ištirti tik pirmąjį paviršiaus atomų sluoksnį.”

STM metu laidus elektrinis antgalis nuskaitomas labai arti mėginio paviršiaus, matuojant tunelio srovę, tekančią tarp antgalio ir mėginio. Sujungę šiuos matavimus, mokslininkai gali atvaizduoti paviršiaus atomų elektronų tankį (kaip elektronai organizuojami erdvėje). Lygindama STM vaizdus prieš ir po apdorojimo, grupė nustatė aiškų atomų išdėstymo modelių skirtumą, atitinkantį vanadžio ir bismuto turinčius paviršius.

„STM ir LEIS derinys leido mums nustatyti atominę struktūrą ir cheminius elementus viršutiniame šios fotoelektrodinės medžiagos paviršiaus sluoksnyje“, – sakė autorius Xiao Tongas, CFN sąsajų mokslo ir katalizės grupės mokslininkas ir kelių paviršių vadovas. eksperimentuose naudojama analizės sistema. “Šie eksperimentai rodo šios sistemos stiprumą tiriant struktūrinius ir nuosavybės santykius, kurie vyrauja paviršiuje taikant pagrindinius tyrimus”.

STM vaizdai (pagrįsti pagrindiniais fizikos dėsniais), pagrįsti paviršiaus struktūriniais modeliais, gauti remiantis pirmojo principo skaičiavimais, atitiko eksperimento rezultatus.

„Mūsų pirmieji principiniai skaičiavimai suteikė daug informacijos, įskaitant elektronines paviršiaus savybes ir tikslią atomų padėtį“, – sakė autorė ir kolegė Wennie Wang, „Galli“ grupės gydytoja. “Ši informacija buvo labai svarbi interpretuojant eksperimento rezultatus”.

Įrodžius, kad cheminis apdorojimas sėkmingai pakeitė pirmąjį atomų sluoksnį, grupė palygino elektrocheminį elgesį, kurį sukėlė apdorotų ir neapdorotų mėginių šviesa.

“Mūsų eksperimentiniai ir skaičiavimo rezultatai parodė, kad bismutu turtingi paviršiai pagerina naudingesnę paviršiaus energiją ir fotoelektrochemines vandens skaidymo savybes”, – sakė Choi. “Be to, šie paviršiai padidino fototempimą.”

Dažnai šviesos dalelės (fotonai) nesuteikia pakankamai energijos vandeniui suskaidyti, todėl reikalinga išorinė įtampa, padedanti pagaminti cheminę medžiagą. Energijos efektyvumo požiūriu norite naudoti kuo mažiau papildomos elektros energijos.

“Kai bismuto vanadatas sugeria šviesą, jis sukuria elektronus ir tuščius elektronus, vadinamus skylėmis”, – sakė Liu. “Šie du krūvininkai turi turėti pakankamai energijos, kad būtų sukurta chemija, reikalinga vandens skaidymo reakcijai: skylės vandeniui paversti deguonies dujomis, o elektronai vandenį paversti vandenilio dujomis. Nors skylės turi daugiau energijos nei elektronai. , palengvinantis reakciją “.

Kadangi skylutes galima lengvai rekombinuoti elektronais, užuot jas perkėlus į vandenį, komanda atliko papildomus eksperimentus, kad suprastų tiesioginį paviršiaus apdailos poveikį fotoelektrocheminėms savybėms. Jie matavo sulfitų oksidacijos abiejų mėginių foto srovę. Sulfito, sieros ir deguonies junginys yra „skylių valiklis“, kuris turi greitai leisti skylėms rekombinuotis su elektronais. Šių eksperimentų metu jie taip pat padidino fotosrovių, kurias sukuria paviršiai, padengti bismutu, skaičių.

“Svarbu, kad elektrodo paviršiai tą chemiją padarytų kuo greitesnę”, – sakė Liu. “Toliau mes panagrinėsime, kaip ant katalizatorių, padengtų paviršiais, kuriuose gausu bismuto, galima padėti skylutes į vandenį.”

Norėdami gauti daugiau informacijos apie šį tyrimą, perskaitykite „Saulės energijos kuro pažangos didinimas skaidant vandenį“.

Nuoroda: „Paviršiaus kompozicijos poveikis BiVO sąsajos energijai ir fotoelektrocheminėms savybėms4“Dongho Lee, Wennie Wang, Chenyu Zhou, Xiao Tong, Mingzhao Liu, Giulia Galli ir Kyoung-Shin Choi 2021 m. Vasario 18 d. Gamtos energija.
DOI: 10.1038 / s41560-021-00777-x

Choi ir Galli darbą palaikė Nacionalinis mokslo fondas ir panaudojo Čikagos universiteto Tyrimų skaičiavimo centro skaičiavimo išteklius. CFN darbą palaikė DOE mokslo biuras ir jis buvo atliktas medžiagų sintezės ir apibūdinimo bei proksimalinių zondų įrenginiuose.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Pasiutligė neužkrėstų smegenų, tačiau vis tiek kenčia nuo stiprių nervų pažeidimų.

Koronavirusas II su sunkiais kvėpavimo takų simptomais, Virusas, sukeliantis COVID 19Vargu ar jis bus tiesiogiai perduodamas į smegenis, tačiau vis tiek gali sukelti sisteminę...

Mokslas yra paprastas. Kas yra kvantinis skaičiavimas?

Nuo JAV energetikos departamentas 2021 m. Balandžio 21 d Lawrence'o Berkeley nacionalinė laboratorija DOE naudoja pažangią aušinimo sistemą - uolekčių, kad kvantinių kompiuterių širdis būtų pakankamai...

Kaip paukštis kvėpuoja geriau? Tyrėjų išvados

Apytikslis „apvalios viščiuko“ su paukščio plaučiais skaičius parodė, kad įkvėpus oro judėjimas pirmyn ir atgal. Kaip iškvėpimai (mėlynos rodyklės) ir iškvėpimai (raudoni) sukelia...

Kalnų gorilos gali naudoti krūtinę, kad perduotų informaciją apie save

Vyriškos gorilos krūtis muša. Autoriai: Jordi Galbany / Diano Fossey Gorilla fondas Skrynios, nukentėjusios nuo kalnų gorilų, kurios greitai muša krūtinę rankomis, kad skambėtų...

Paprastas mokslas: kas yra biokuras?

Parengta JAV energetikos departamentas 2021 m. Balandžio 20 d Mokslininkai fermentavo mieles, kad iš augalų cukrus virstų biodyzelinu. Kreditas: Nuotrauka mandagumo Stephanopoulos Lab Saulės, vėjo ir...

Newsletter

Subscribe to stay updated.