Ang tagumpay sa tagumpay para sa solar fuel na ginawa ng paghahati ng tubig

Gumamit ang mga mananaliksik ng parehong mga computer at mikroskopyo upang malaman ang isang paraan upang potensyal na madagdagan ang pagganap ng aparato, gamit ang araw upang hatiin ang tubig at makabuo ng hydrogen bilang isang sustainable fuel. Kredito: Paglalarawan ni Peter Allen

Ang pananaliksik ng Pritzker School of Molecular Engineering ay maaaring makatulong na gawing isang kapaki-pakinabang at napapanatiling fuel ang hydrogen.

Ang hydrogen ay isang hindi kapani-paniwalang makapangyarihang gasolina at ang mga additives ay saanman – sa lumang malinis na tubig. Nais ng mga siyentista na magamit itong malawak bilang isang malinis at napapanatiling mapagkukunan ng enerhiya.

Gayunpaman, ang isa sa mga nahuli ay ang isang malaking halaga ng enerhiya na kinakailangan upang maipamahagi ang tubig at makagawa ng hydrogen. Sa gayon, ang mga siyentista ay nagtatrabaho upang makabuo ng mga materyales para sa mga photoelectrode na maaaring gumamit ng solar na enerhiya upang masira ang tubig, na lumilikha ng “solar fuel” na maaaring itago para magamit sa paglaon.

Ang mga siyentista kasama ni Unibersidad ng Chicagoay naglathala ng isang bagong tagumpay sa paggawa ng naturang mga photoelectrode ng National Laboratory ng University of Wisconsin – Madison at Brookhaven. Ang kanilang pagsasaliksik, iniulat sa Likas na enerhiya Ipinakita ng Pebrero 18, 2021 na ang pagbabago ng tuktok na layer ng mga atomo sa ibabaw ng mga electrode ay maaaring makabuluhang taasan ang kanilang pagganap.

“Ang aming mga resulta ay susi sa parehong pag-unawa at pagpapabuti ng mga photoelectrode na ginamit sa paggawa ng solar fuel,” sabi ni Giulia Galli, isang propesor ng molekular engineering sa pamilyang Liew at isang propesor ng kimika sa UChicago, punong siyentista sa Argonne National Laboratory at kapwa may-akda ng artikulo

“Ang bawat pagpapabuti na ginagawa namin ay nagdadala sa amin malapit sa pangako ng isang napapanatiling fuel sa hinaharap,” dagdag ng co-author na si Kyoung-Shin Choi, isang propesor ng kimika sa University of Wisconsin-Madison.

Si Galli at Choi ay mga lider ng teoretikal at pang-eksperimentong sa larangan ng solar fuel at nagtatrabaho nang maraming taon sa pagdidisenyo at pag-optimize ng mga photoelectrode para sa paggawa ng mga solar fuel. Upang maunawaan ang mga epekto ng komposisyon sa ibabaw ng elektrod, nakipagtulungan sila sa UChicago Mingzhao Liu, MS’03, PhD’07, isang mananaliksik sa Center for Functional Nanomaterial sa Brookhaven National Laboratory.

Gumagana ang photoelectrode sa pamamagitan ng pagsipsip ng enerhiya mula sa sikat ng araw, na bumubuo ng isang potensyal na de-kuryente at isang kasalukuyang maaaring hatiin ang tubig sa oxygen at hydrogen.

Pinag-aralan ng koponan ang isang materyal na photoelectrode na tinatawag na bismuth vanadate, na nangangako dahil masidhi itong sumisipsip ng sikat ng araw sa saklaw ng haba ng daluyong at nananatiling medyo matatag sa tubig. Sa partikular, nais nilang suriin ang ibabaw ng elektrod. “Ang mga katangian ng mga maramihang materyales ay napag-aralan nang mabuti; subalit, mahirap matukoy ang epekto ng isang ibabaw sa paghahati ng tubig,” paliwanag ni Liu, kapwa may-akda ng artikulo.

“Ang bawat pagpapabuti na ginagawa namin ay nagdadala sa amin malapit sa pangako ng isang napapanatiling fuel sa hinaharap.”

Kyoung-Shin Choi, Propesor ng Chemistry sa University of Wisconsin – Madison

Sa Brookhaven, pinahusay ni Liu at nagtapos na mag-aaral na si Chenyu Zhou ang pamamaraan ng lumalaking bismuth vanadate bilang isang photoelectrode na may mahusay na natukoy na oryentasyon at ibabaw na istraktura. “Ngunit alam namin,” sabi ni Zhou, “na ang aming photoelectrode ay may kaunti pang vanadium sa ibabaw kaysa sa bismuth.” Nais malaman ng banda kung ang isang bersyon na mas mayaman sa bismuth ay gumanap nang mas mahusay.

Sa UW-Madison, Choi at nagtapos na mag-aaral na si Dongho Lee ay nakakita ng isang paraan upang baguhin ang komposisyon ng ibabaw nang hindi binabago ang komposisyon ng natitirang elektrod, at gumawa ng isang sample na may maraming mga atom ng bismuth sa ibabaw.

Upang maunawaan kung ano ang nangyayari sa antas ng molekula, dalawang magkakaibang mga komposisyon sa ibabaw ang naimbestigahan gamit ang mga espesyal na tool sa Center for Functional Nanomaterial, kabilang ang pag-scan ng tunneling microscopy. Si Wennie Wang, isang kapwa postdoctoral sa pangkat ng Galli, ay naghambing sa mga eksperimentong at kunwa ng mga mikroskopiko na imahe at kinilala ang mga modelo ng istraktura ng ibabaw na malapit na gumaya sa mga sampol ng eksperimentong.

“Ang aming mga kalkulasyon sa kabuuan ng makina ay nagbigay ng maraming impormasyon, kabilang ang mga elektronikong katangian ng ibabaw at ang eksaktong posisyon ng mga atomo,” sabi ni Wang. “Ang impormasyong ito ay ipinakita na mahalaga para sa interpretasyon ng mga eksperimento.”

Susunod, inihambing ng pangkat ang nangyari nang tumama ang ilaw sa mga ibabaw. Nalaman nila na ang mga ibabaw na may labis na mga atomo ng bismuth ay mas kanais-nais para sa mga reaksyon ng cleavage ng tubig.

“Kapag ang bismuth vanadate ay sumisipsip ng ilaw, bumubuo ito ng mga electron at ang kanilang mga libreng puwang na tinatawag na hole,” sabi ni Lee. “Nalaman namin na ang natapos na bismuth na ibabaw ay nakakataas ng mga electron sa mas mataas na mga enerhiya at humantong din sa mas mahusay na paghihiwalay ng mga electron mula sa mga butas – sa pangkalahatan, mas maraming mga atom ng bismuth sa ibabaw ang mas gusto ang mga reaksyon ng cleavage ng tubig.”

“Ang aming mahigpit na isinamang pang-eksperimentong at teoretikal na pagsasaliksik ay naging mahalaga sa pagkakaroon ng pag-unawa sa antas ng atomiko kung paano mababago ng pagbabago sa ibabaw ang mga katangian ng isang photoelectrode,” sabi ni Choi.

“Ang aming pakikipagtulungan, pinondohan ng National Science Foundation, ay naging napaka-mabunga,” dagdag ni Galli.

Susunod, susisiyasat ng mga mananaliksik kung paano nakikipag-ugnay ang bismuth ng mga photoelectrode sa layer ng catalyst na inilapat sa ibabaw ng photoelectrode upang mapadali ang oksihenasyon ng tubig.

“Naniniwala kami na ang mga resulta na nakuha mula sa aming pag-aaral ay magsisilbing pangunahing batayan para sa pag-aaral sa hinaharap,” sabi ni Liu.

“Natukoy namin ang isang mahalagang piraso ng kumplikadong jigsaw puzzle at inaasahan ang karagdagang paggalugad ng mga paraan upang mapabuti ang produksyon ng solar fuel bilang isang napapanatiling kahalili sa mga fossil fuel,” dagdag ni Galli.

Sanggunian: “Impluwensya ng komposisyon sa ibabaw sa interfacial na enerhiya at mga katangian ng photoelectrochemical ng BiVO4“May-akda: Dongho Lee, Wennie Wang, Chenyu Zhou, Xiao Tong, Mingzhao Liu, Giulia Galli at Kyoung-Shin Choi, 18 Pebrero 2021, Likas na enerhiya.
DOI: 10.1038 / s41560-021-00777-x

Ang gawaing ito ay pinondohan ng National Science Foundation at ginamit ang mga mapagkukunan ng computing ng Research Computing Center ng University of Chicago. Ang gawain sa Brookhaven ay isinasagawa sa mga pasilidad ng gumagamit para sa pagbubuo at paglalarawan ng mga materyales at proximal probes at pinondohan ng Opisina ng Agham ng Kagawaran ng Enerhiya.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Ang lumalaking problema ng “malalim na heograpiya”

Ang maaaring mukhang isang imahe ng Tacoma ay talagang isang simulate na nilikha sa pamamagitan ng paglilipat ng mga biswal na imahe ng Beijing...

Bagong Milky Way Exterior Destroyers Bagong Sky Map ay Inilabas – Madilim na Mahalagang Mga Konsepto ay Maaaring Magbigay ng Bagong Eksperimento

Ang mga astronomo ay naglabas ng isang bagong celestial map ng Milky Way galaxy na pinakamalapit sa aming kalawakan. Kredito: NASA / JPL-Caltech...

Susunod na Generation Stable Pop-Up na Istraktura na inspirasyon ni Origami

Ni Harvard John A. Paulson School of Engineering at Applied Science Abril 22, 2021 Ang hindi masusunog na kanlungan na ito ay hindi natatakpan ng makapal...

Pinalitan ng DNA ang Y Chromosome na Nag-aambag ng Maikling Buhay na Buhay sa Mga Lipad ng Lalaki

Pagpapayaman ng Heterochromatin sa lahat ng mga chromosome. Immunofluorescence stain ng H3K9me3 sa male mitotic chromosome. Bar scale ay 50μm. Kredito:...

Pinapayagan ng mga polimer na kumakain ng polimer ang “biodegradable” na mga plastik na tunay na masusunog

Ang ginagamot na plastik (kaliwa) ay naghiwalay pagkatapos ng tatlong araw lamang sa karaniwang pag-aabono (kanan) at ganap na makalipas ang dalawang linggo. ...

Newsletter

Subscribe to stay updated.