Самоулучшающаяся ячейка для производства водорода

Ym.cth

Administrator
Новости из Национальной лаборатории Лоренса Беркли

Три года назад ученые из Мичиганского университета обнаружили устройство для искусственного фотосинтеза, сделанное из кремния и нитрида галлия (Si/GaN), которое превращает солнечный свет в безуглеродный водород для топливных элементов с удвоенной эффективностью и стабильностью по сравнению с некоторыми предыдущими технологиями.

Теперь ученые из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики (DOE) (Лаборатория Беркли) - в сотрудничестве с Мичиганским университетом и Ливерморской национальной лабораторией (LLNL) - обнаружили удивительное свойство самосовершенствования Si/GaN, которое способствует высокоэффективному и стабильному превращению света и воды в безуглеродный водород . Их выводы, опубликованные в журнале Nature Materials , могут помочь радикально ускорить коммерциализацию технологий искусственного фотосинтеза и водородных топливных элементов .

«Наше открытие действительно меняет правила игры», - сказала старший автор исследования Франческа Тома, научный сотрудник отдела химических наук Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики США. По ее словам, обычно материалы в системах солнечного топлива разрушаются, становятся менее стабильными и, следовательно, производят водород менее эффективно. «Но мы обнаружили необычное свойство Si /GaN, которое каким-то образом позволяет ему стать более эффективным и стабильным. Я никогда не видел такой стабильности».

Предыдущие материалы для искусственного фотосинтеза являются либо отличными поглотителями света, которые не обладают прочностью; или это прочные материалы, не обладающие эффективностью поглощения света.

Но нитрид кремния и галлия - дешевые материалы в изобилии, которые широко используются в качестве полупроводников в повседневной электронике, такой как светодиоды (светоизлучающие диоды) и солнечные элементы, - сказал соавтор Зетиан Ми, профессор электротехники и вычислительной техники в Университете им. Мичиган, который десять лет назад изобрел устройства для искусственного фотосинтеза Si/GaN.

Когда устройство MiSi/GaN достигло рекордной 3-процентной эффективности преобразования солнечной энергии в водород, он задался вопросом, как такие обычные материалы могут так необычайно хорошо работать в экзотическом устройстве для искусственного фотосинтеза, поэтому он обратился за помощью к Томе.



Ми узнал об опыте Томы в передовых методах микроскопии для исследования наноразмерных (миллиардных долей метра) свойств материалов для искусственного фотосинтеза через HydroGEN, пятинациональный лабораторный консорциум, поддерживаемый Управлением технологий водорода и топливных элементов Министерства энергетики., и возглавляемый Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии, для облегчения сотрудничества между национальными лабораториями, академическими кругами и промышленностью для разработки передовых материалов для расщепления воды. «Это взаимодействие промышленности и научных кругов в области передовых материалов для расщепления воды с возможностями национальных лабораторий - именно то, почему был создан HydroGEN - чтобы мы могли сдвинуть с мертвой точки технологию производства чистого водорода», - сказал Адам Вебер, отдел водорода и Руководитель программы лаборатории технологий топливных элементов и заместитель директора HydroGEN.

Тома и ведущий автор Госонг Цзэн, научный сотрудник отделения химических наук лаборатории Беркли, подозревали, что GaN может играть роль в необычном потенциале устройства для повышения эффективности и стабильности производства водорода.

Чтобы выяснить это, Цзэн провел эксперимент по фотопроводящей атомно-силовой микроскопии в лаборатории Томы, чтобы проверить, как фотокатоды из GaN могут эффективно преобразовывать поглощенные фотоны в электроны, а затем привлекать эти свободные электроны для расщепления воды на водород, прежде чем материал начнет разлагаться и становиться меньше, стабильней и эффективней.

Они ожидали увидеть резкое снижение эффективности поглощения фотонов и стабильности материала всего через несколько часов. К их удивлению, они наблюдали улучшение фототока материала на 2-3 порядка, исходящего от крошечных граней вдоль «боковой стенки» зерна GaN, сказал Цзэн. Еще больше озадачило то, что эффективность материала со временем повысилась, хотя общая поверхность материала не сильно изменилась, сказал Цзэн. «Другими словами, вместо того, чтобы ухудшаться, материал стал лучше», - сказал он.

Чтобы собрать больше подсказок, исследователи заказали сканирующую просвечивающую электронную микроскопию (STEM) в Национальном центре электронной микроскопии в Молекулярной литейной лаборатории Беркли и угловую рентгеновскую фотонную спектроскопию (XPS).

Эти эксперименты показали, что вдоль некоторых боковых стенок образовался 1-нанометровый слой, смешанный с галлием, азотом и кислородом, или оксинитрид галлия. Произошла химическая реакция, добавившая «активные каталитические центры для реакций производства водорода», - сказал Тома.

Моделирование теории функционала плотности (DFT), проведенное соавторами Тадаши Огицу и Туан Ань Фамом из LLNL, подтвердило их наблюдения. «Рассчитав изменение распределения химических соединений на определенных частях поверхности материала, мы успешно обнаружили структуру поверхности, которая коррелирует с развитием оксинитрида галлия в качестве места реакции выделения водорода», - сказал Огицу. «Мы надеемся, что наши открытия и подход - тесно интегрированное сотрудничество теории и экспериментов, осуществленное консорциумом HydroGEN - будут использованы для дальнейшего совершенствования технологий производства возобновляемого водорода».

Ми добавил: «Мы работали над этим материалом более 10 лет - мы знаем, что он стабилен и эффективен. Но это сотрудничество помогло выявить фундаментальные механизмы, благодаря которым он становится более надежным и эффективным, а не ухудшается, поможет нам создать более эффективные устройства для искусственного фотосинтеза при меньших затратах ».

Забегая вперед, Тома сказала, что она и ее команда хотели бы протестировать фотокатод Si/GaN в фотоэлектрохимической ячейке, расщепляющей воду, и что Цзэн будет экспериментировать с аналогичными материалами, чтобы лучше понять, как нитриды способствуют стабильности в устройствах искусственного фотосинтеза - то, что они никогда не думали, будет возможным.

«Это было совершенно неожиданно, - сказал Цзэн. «Это не имело смысла, но расчеты DFT Фама дали нам объяснение, необходимое для подтверждения наших наблюдений. Наши результаты помогут нам разработать еще более совершенные устройства для искусственного фотосинтеза».

«Это была беспрецедентная сеть сотрудничества между национальными лабораториями и исследовательским университетом», - сказал Тома. «Консорциум HydroGEN объединил нас - наша работа демонстрирует, как научный подход национальных лабораторий может помочь решить большие проблемы, влияющие на весь мир».
 
Сверху