Das Team wirft ein neues Licht auf den Prozess der solaren Wasserspaltung

Das Team wirft ein neues Licht auf den Prozess der solaren Wasserspaltung

Video: 206th Knowledge Seekers Workshop Jan 11, 2018 (Kann 2020).

Anonim

von der University of Oregon

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Mit Hilfe einer neuen Methode namens "Dual-Electrode Photoelectrochemistry" haben Wissenschaftler der University of Oregon neue Einblicke in die Funktionsweise von solaren wasseraufspaltenden Zellen gewonnen. Ein wichtiger und übersehener Parameter, so berichten sie, ist die Ionenpermeabilität von Elektrokatalysatoren, die in Wasserspaltgeräten verwendet werden.

Ihre Entdeckung könnte dazu beitragen, einen Versuch-und-Fehler-Ansatz zum Paring von Elektrokatalysatoren mit Halbleitern durch eine effiziente Methode zu ersetzen, mit der Sonnenlicht Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser trennt, um erneuerbare Energie zu erzeugen, sagt Shannon W. Boettcher, Professor für Chemie und Leiter der Solarenergie Labor für Material- und Elektrochemie im Materials Science Institute der UO.

Die Forschung wird in einem Artikel beschrieben, der am 1. Dezember online gestellt wurde, bevor er regelmäßig in der Zeitschrift Nature Materials veröffentlicht wird .

Solare wasseraufspaltende Zellen, die die Photosynthese imitieren, erfordern mindestens zwei verschiedene Arten von Materialien: einen Halbleiter, der Sonnenlicht absorbiert und angeregte Elektronen erzeugt, und einen Elektrokatalysator, in der Regel einen sehr dünnen Film aus einem Metalloxid, das Elemente wie Nickel, Eisen und Kupfer enthält Sauerstoff, der dazu dient, die Geschwindigkeit zu beschleunigen, mit der sich Elektronen auf und von Wassermolekülen bewegen, die in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten werden.

"Wir haben eine neue Methode entwickelt, um den Elektronenfluss an der Grenzfläche zwischen Halbleitern und Elektrokatalysatoren zu untersuchen", sagte Boettcher. "Wir haben Bauelemente hergestellt, die separate Metallkontakte zum Halbleiter und zum Elektrokatalysator haben."

Zu diesem Zweck kontaktierte der leitende Autor Fuding Lin, ein Postdoktorand, einen Einkristall aus halbleitendem Titandioxid elektrisch und beschichtete ihn mit verschiedenen Elektrokatalysatorfilmen. Ein nur 10 Nanometer dicker Goldfilm wurde verwendet, um die Oberseite der Elektrokatalysatoren elektrisch zu kontaktieren. Beide Kontakte wurden als Sonden verwendet, um die Spannung und den Strom an Halbleiter-Elektrokatalysator-Übergängen mit einer als Bipotentiostat bekannten Vorrichtung unabhängig zu überwachen und zu steuern. Lin konzentrierte sich auf die Sauerstoffentwicklungsreaktion - den schwierigsten und ineffizientesten Schritt im Wasserspaltungsprozess.

"Mit diesem Experiment konnten wir beobachten, wie sich Ladung im Katalysator ansammelt und die Spannung des Katalysators ändert", sagte Boettcher. Es stellte sich heraus, sagte Lin, dass eine dünne Schicht aus ionenporösem Elektrokatalysatormaterial am besten funktioniert, da sich die Eigenschaften der Grenzfläche mit dem Halbleiter während des Betriebs anpassen, wenn die durch Sonnenlicht angeregten Ladungen vom Halbleiter auf den Katalysator fließen.

Die Forschung sollte verstehen, wie maximale Energie aus angeregten Elektronen in einem Halbleiter gewonnen werden kann, wenn die Elektronen in den Katalysator eintreten, wo eine chemische Reaktion Sauerstoff und Wasserstoff trennt. Laut Lin haben Forscher bislang mit Materialien experimentiert, um effiziente und kostengünstige Bauelemente herzustellen. Die Minimierung des mit der Katalysator-Halbleiter-Grenzfläche verbundenen Energieverlusts war jedoch eine große Hürde.

In der Studie verglich Lin die Bewegung von Elektronen zwischen Halbleitern, die mit porösem Nickeloxyhydroxid beschichtet waren - ein Film, von dem Boettchers Labor zuvor gezeigt hatte, dass er eine hervorragende elektrokatalytische Effizienz für die Trennung von Sauerstoff von Wasser bietet - mit Halbleitern, die mit nicht permeablen Filmen aus Iridiumoxid modifiziert wurden.

"Das ionenporöse Material ermöglicht es Wasser und Ionen, das Katalysatormaterial zu durchdringen", sagte Lin. "Wenn diese Katalysatoren in Lösung sind, kann sich die Energie des Katalysators auf und ab bewegen, wenn sich sein Oxidationszustand ändert."

Katalysatoren mit nicht porösen Strukturen in halbleiterkatalytischen Übergängen zeigen dieses Verhalten nicht und funktionieren normalerweise nicht so gut, sagte Boettcher, der auch Mitglied des Oregon BEST (Oregon Built Environment & Sustainable Technologies Center) ist, einer staatlichen Signatur Initiative.

Die Umwandlung von Sonnenlicht in Energie und die wirtschaftliche Speicherung für eine spätere Verwendung ist eine große Herausforderung, wenn es darum geht, fossile Brennstoffe durch erneuerbare Energien zu ersetzen. Herkömmliche Photovoltaik-Solarzellen absorbieren Sonnenlicht und bilden angeregte Elektronen, die als Strom in Drähte geleitet werden. Das Speichern von Energie als Strom, beispielsweise in Batterien, ist jedoch teuer.

Details darüber, wie angeregte Elektronen von Halbleitern zu Katalysatoren wandern, seien bisher nur unzureichend bekannt. "Dieses Unverständnis erschwert die Verbesserung von Wasserspaltgeräten, da sich die Forscher auf Versuch und Irrtum anstatt auf rationales Design verlassen haben."

Das in der Studie verwendete System sei nicht effizient, fügte Boettcher hinzu. "Das war nicht unser Ziel", sagte er. "Wir wollten verstehen, was auf einer grundlegenden Ebene mit genau definierten Materialien passiert. Dies erleichtert die Konstruktion von Systemen, die unter Verwendung anderer Materialien effizienter sind."

"Forscher an der University of Oregon entwickeln die Wissenschafts-, Herstellungs- und Geschäftsprozesse im Zusammenhang mit kritischen Produkten neu", sagte Kimberly Andrews Espy, Vizepräsidentin für Forschung und Innovation und Dekanin der UO Graduate School. "Diese wichtige Entdeckung von Dr. Boettcher und seinem Team könnte zu effizienteren Systemen führen, die zu einer nachhaltigen Zukunft beitragen."