Pag-tune sa ibabaw ng mga electrodes upang suportahan ang mga reaksyon sa sikat ng araw, na hinati ang tubig sa malinis na gasolina

Sa pamamagitan ng malapit na koneksyon ng eksperimento at teorya, ipinakita ng mga siyentista sa antas ng atomic kung paano ang mga pagbabago sa ibabaw na komposisyon ng isang photoelectrode ay may mahalagang papel sa pagganap ng photoelectrochemical. Kredito: Unibersidad ng Chicago

Ang materyal ng mga electrode na may binagong mga atomo sa ibabaw ay bumubuo ng mas maraming kasalukuyang kuryente, na kinokontrol ang mga reaksyon sa sikat ng araw, na hinahati ang tubig sa oxygen at hydrogen – purong gasolina.

Ipinakita ng mga mananaliksik na ang pagbabago ng tuktok na layer ng mga atomo sa ibabaw ng mga electrode ay maaaring magkaroon ng isang kapansin-pansin na epekto sa aktibidad ng solar fission. Tulad ng naiulat Likas na enerhiya Noong Pebrero 18, 2021, ang bismuth vanadate electrodes na may mas mataas na nilalaman ng bismuth sa ibabaw (kumpara sa vanadium) ay bumubuo ng isang mas mataas na kasalukuyang kuryente kapag sumipsip sila ng enerhiya mula sa sikat ng araw. Kinokontrol ng photocurrent na ito ang mga reaksyong kemikal na hinati ang tubig sa oxygen at hydrogen. Maaaring itago ang hydrogen para magamit sa paglaon bilang purong gasolina. Kapag ang hydrogen ay gawa lamang ng tubig, kapag ito ay muling pinagsama sa oxygen upang makagawa ng elektrisidad sa mga fuel cells, makakatulong ito sa amin na makamit ang isang malinis at napapanatiling enerhiya sa hinaharap.

“Ang pagwawakas sa ibabaw ay kinokontrol ang interfacial na enerhiya ng system o kung paano nakikipag-ugnayan ang tuktok na layer sa dami,” sinabi ng kapwa may-akda na si Mingzhao Liu, isang mananaliksik sa Interface Science and Catalysis Group sa Center for Functional Nanomaterial (CFN), at ng US Pasilidad ng Gumagamit ng Kagawaran ng Enerhiya sa Brookhaven National Laboratory. “Ang ibabaw na tinapos ng bismuth ay nagpapakita ng isang photocurrent na 50 porsyento na mas mataas kaysa sa natapos na vanadium-natapos na.”

“Ang pag-aaral ng mga epekto ng pang-ibabaw na paggamot na may pag-unawa sa kanilang pinagmulan sa antas ng atomic ay lubos na mapaghamong at nangangailangan ng malapit na isinamang pang-eksperimentong at teoretikal na pananaliksik,” sabi ng co-author na si Giulia Galli ng Unibersidad ng Chicago at DOE Argonne National Laboratory.

“Kailangan din nito ang paghahanda ng mga de-kalidad na sample na may mahusay na natukoy na mga ibabaw at hindi independiyenteng mga pamamaraan sa pag-probing sa ibabaw,” dagdag ng co-author na si Kyoung-Shin Choi ng University of Wisconsin-Madison.

CFN Multiprobe Surface Analysis System

Multipole system para sa ibabaw na pagtatasa sa Proximal Probes Facility sa Center for Functional Nanomaterial (CFN). Kredito: Brookhaven National Laboratory

Si Choi at Galli, mga pang-eksperimentong at teoretikal na pinuno sa larangan ng solar fuel, ay nagtatrabaho nang maraming taon sa pagdidisenyo at pag-optimize ng mga photoelectrode para sa paggawa ng mga solar fuel. Kamakailan ay nagsimula sila sa mga diskarte upang maipaliwanag ang mga epekto ng komposisyon sa ibabaw ng elektrod at nakipagsosyo sa Liu bilang mga gumagamit ng CFN.

“Ang pagsasama-sama ng kadalubhasaan ng Choi Group sa photoelectrochemistry, teorya at pagkalkula ng Galli Group, at ang CFN sa pagbubuo ng materyal at paglalarawan ay kritikal sa tagumpay ng pag-aaral,” sabi ni Liu.

Ang Bismuth vanadate ay isang promising electrode material para sa pagkasira ng solar water dahil malakas itong sumisipsip ng sikat ng araw sa saklaw ng haba ng daluyong at nananatiling medyo matatag sa tubig. Sa huling ilang taon, ginawang perpekto ni Liu ang isang pamamaraan ng tumpak na lumalaking monocrystalline na manipis na mga pelikula ng materyal na ito. Ang mga pulso ng laser na may lakas na lakas ay nakakaapekto sa ibabaw ng polycrystalline bismuth vanadate sa loob ng silid ng vacuum. Ang init mula sa laser ay sanhi ng pagsingaw ng mga atomo at mapunta sa ibabaw ng baseng materyal (substrate) at bumuo ng isang manipis na pelikula.

“Upang makita kung paano nakakaapekto ang iba’t ibang mga pang-ibabaw na aktibidad sa photoelectrochemical na aktibidad, kailangan mong makapaghanda ng mga kristal na elektrod na may parehong oryentasyon at komposisyon ng lakas ng tunog,” paliwanag ng kapwa may-akda na si Chenyu Zhou, isang nagtapos na mananaliksik sa Stony Brook University na nakikipagtulungan kay Liu. “Gusto mong ihambing ang mga mansanas sa mga mansanas.”

Tulad ng paglaki nito, ang bismuth vanadate ay may halos 1: 1 ratio ng bismuth sa vanadium sa ibabaw, na may bahagyang mas vanadium. Upang lumikha ng isang ibabaw na mayaman sa bismuth, ang mga mananaliksik ay naglagay ng isang sample sa isang solusyon ng sodium hydroxide, isang malakas na base.

“Ang mga atomo ng Vanadium ay may mataas na ugali na alisin mula sa ibabaw ng pangunahing solusyon na ito,” sinabi ng unang may-akda na si Dongho Lee, isang nagtapos na mananaliksik na nakikipagtulungan sa Choi. “Na-optimize namin ang konsentrasyon ng baseline at oras ng pagsasawsaw ng sample upang alisin lamang ang mga ibabaw na atomo ng vanadium.”

Upang kumpirmahing binago ng paggamot ng kemikal na ito ang komposisyon ng tuktok na layer ng ibabaw, ang mga mananaliksik ay bumaling sa CFN para sa mababang enerhiya na ion na nagkakalat ng spectroscopy (LEIS) at pag-scan ng tunneling microscopy (STM).

Sa sistemang LEIS, ang mga electronics na sisingilin nang electrically low-energy – sa kasong ito helium – ay nakadirekta sa sample. Kapag ang mga ion ng helium ay tumama sa ibabaw ng sample, sila ay nagkalat sa isang katangian na pattern depende sa kung aling mga atomo ang nasa tuktok. Ayon sa pagtatasa ng koponan ng LEIS, ang itinuturing na ibabaw ay naglalaman ng halos eksklusibong bismuth na may isang ratio ng bismuth sa vanadium ng 80:20.

“Ang iba pang mga diskarte, tulad ng X-ray photoelectron spectroscopy, ay maaari ring sabihin sa iyo kung anong mga atomo ang nasa ibabaw, ngunit ang mga signal ay nagmula sa maraming mga layer ng ibabaw,” paliwanag ni Liu. “Iyon ang dahilan kung bakit naging kritikal ang LEIS sa pag-aaral na ito – pinapayagan lamang kaming pag-aralan ang unang layer ng mga atomo sa ibabaw.”

Sa STM, ang isang tip na nagbibigay-koryente sa kuryente ay na-scan na malapit sa sample na ibabaw habang sinusukat ang kasalukuyang lagusan na dumadaloy sa pagitan ng tip at ng sample. Sa pamamagitan ng pagsasama-sama ng mga pagsukat na ito, maaaring mapa ng mga siyentista ang density ng electron – kung paano nakaayos ang mga electron sa kalawakan – ng mga atomo sa ibabaw. Kapag inihambing ang mga imahe ng STM bago at pagkatapos ng paggamot, natagpuan ng koponan ang isang malinaw na pagkakaiba sa mga pattern ng mga pag-aayos ng atomiko na naaayon sa mga ibabaw na mayaman na vanadium at bismuth.

“Pinayagan kami ng kombinasyon ng STM at LEIS na tukuyin ang istraktura ng atomic at mga elemento ng kemikal sa tuktok na layer ng ibabaw ng materyal na photoelectrode na ito,” sabi ni Xiao Tong, kapwa may-akda ng CFN Interface Science and Catalysis Group at tagapamahala ng Multiprot permukaan na analitikal ginamit ang system sa mga eksperimento. “Ang mga eksperimentong ito ay nagpapakita ng lakas ng sistemang ito upang siyasatin ang mga ugnayan sa pagitan ng mga pag-aari na ibabaw at kontrolado ng ibabaw sa pangunahing mga aplikasyon ng pananaliksik.”

Ang mga naka-simulate na imahe ng STM batay sa mga modelo ng pang-istrukturang pang-ibabaw na nagmula sa mga kalkulasyon ng unang prinsipyo (batay sa pangunahing mga batas ng pisika) na malapit na tumugma sa mga pang-eksperimentong resulta.

“Ang aming mga kalkulasyon ayon sa unang prinsipyo ay nagbigay ng maraming impormasyon, kasama na ang mga elektronikong katangian ng ibabaw at ang eksaktong posisyon ng mga atomo,” sabi ng kapwa may-akda at kapwa postdoctoral ng Galli Group na si Wennie Wang. “Ang impormasyong ito ay mahalaga para sa interpretasyon ng mga pang-eksperimentong resulta.”

Matapos maipakita na matagumpay na binago ng paggamot ng kemikal ang unang layer ng mga atomo, inihambing ng pangkat ang light-induced electrochemical na pag-uugali ng mga ginagamot at hindi ginagamot na mga sample.

“Iminungkahi ng aming mga resulta na pang-eksperimento at computational na ang mga ibabaw na mayaman sa bismuth ay humantong sa mas kanais-nais na enerhiya sa ibabaw at pinahusay na mga katangian ng photoelectrochemical para sa cleavage ng tubig,” sinabi ni Choi. “Bilang karagdagan, ang mga ibabaw na ito ay naglipat ng photovoltaics sa isang mas mataas na halaga.”

Maraming beses, ang mga light particle (photon) ay hindi nagbibigay ng sapat na enerhiya upang masira ang tubig, kaya kailangan ng panlabas na boltahe upang maisagawa ang kimika. Sa mga tuntunin ng kahusayan ng enerhiya, nais mong gumamit ng kaunting karagdagang elektrisidad hangga’t maaari.

“Kapag ang bismuth vanadate ay sumisipsip ng ilaw, bumubuo ito ng mga electron at ang kanilang mga libreng puwang na tinatawag na hole,” Liu said. “Parehong ng mga carrier ng singil na ito ay kailangang magkaroon ng sapat na enerhiya upang maisagawa ang kinakailangang kimika para sa reaksyon ng fission ng tubig: mga butas upang mai-oxidize ang tubig sa oxygen gas at mga electron upang mabawasan ang tubig sa hydrogen gas.” Habang ang mga butas ay may higit sa sapat na enerhiya, wala silang mga electron. Natagpuan namin na ang natapos na bismuth na ibabaw ay nagtataas ng mga electron sa isang mas mataas na enerhiya, na nagpapadali sa reaksyon. “

Dahil ang mga butas ay maaaring madaling pagsama-samahin ng mga electron sa halip na mailipat sa tubig, ang koponan ay nagsagawa ng karagdagang mga eksperimento upang maunawaan ang direktang epekto ng mga natapos na pang-ibabaw sa mga katangian ng photoelectrochemical. Sinukat nila ang photocurrent ng parehong mga sample para sa sulfite oxidation. Ang sulfite, isang tambalan ng asupre at oxygen, ay isang “hole trap,” nangangahulugang mabilis itong sumisipsip ng mga butas bago sila magkaroon ng pagkakataong muling pagsamahin ang mga electron. Sa mga eksperimentong ito, ang mga ibabaw na natapos na ng bismuth ay dinagdagan ang dami ng nabuo na photocurrent.

“Mahalaga na ang mga electrode surfaces ay gumanap ng kimika na ito sa lalong madaling panahon,” sabi ni Liu. “Susubukan pa naming tuklasin kung paano ang mga cocatalologist na inilapat sa mga ibabaw na mayaman sa bismuth ay maaaring makatulong na mapabilis ang paghahatid ng mga butas sa tubig.”

Para sa karagdagang impormasyon sa pananaliksik na ito, basahin ang pagtaas ng Breakthrough para sa solar fuel na ginawa ng paghahati ng tubig.

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 gawain nina Choi at Galli ay suportado ng National Science Foundation at ginamit ang mga mapagkukunan sa computing ng University of Chicago Research Computing Center. Ang gawain sa CFN ay suportado ng DOE Office of Science at isinasagawa sa mga materyales na synthesis at pasilidad ng paglalarawan at proximal probes.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

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. ...

Ang mga mananaliksik ng Yale ay lumilikha ng isang pandaigdigang mapa ng hindi natuklasang buhay

Kredito: Yale University Wala pang isang dekada matapos mailathala ang "Mapa ng Buhay", isang pandaigdigang database ng mga kilalang species sa buong mundo, ang mga...

Newsletter

Subscribe to stay updated.