Одной из основных проблем для ученых, работающих над созданием систем, которые эффективно преобразуют солнечный свет, воду и углекислый газ в топливо, является поиск материалов, которые могут выполнять эту работу, а также выдерживать коррозионные условия, являющиеся частью процесса. Существующие методы определения стабильности материала были неудачными, но исследовательская группа под руководством лаборатории Беркли применила комбинацию экспериментальных и теоретических инструментов, чтобы точно определить, насколько хорошо материал выдержит суровые условия окружающей среды, присутствующие в этих системах.
Исследователи, входящие в Объединенный центр искусственного фотосинтеза Министерства энергетики США (JCAP), описывают свою работу в исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications.
«Ни один из существующих методов прогнозирования стабильности материала не работал», — сказала ведущий автор исследования Франческа Тома, штатный научный сотрудник лаборатории Беркли из отдела химических наук. «Нам необходимо разработать набор методов, которые могли бы дать нам более точную оценку того, как материал будет вести себя в реальных приложениях. Как узнать, прослужит ли этот материал 10 лет?? Наличие методов, которые позволяют нам понять, как материал деградирует, и спрогнозировать его стабильность с годами, является важным достижением."
У искусственного фотосинтеза есть путь к достижению контролируемого, стабильного процесса его естественного аналога.
Ключевым этапом как естественного, так и искусственного фотосинтеза является расщепление воды на составляющие, водород и кислород. В естественных системах стабильность компонентов, выполняющих эту функцию, не требуется, поскольку они могут самовосстановиться в живых клетках.
Но в отличие от заводов, практические генераторы на солнечном топливе требуют стабильных материалов, которые не нужно постоянно пополнять. Еще одно соображение заключается в том, что эти устройства должны работать в высококоррозионных условиях, которые усугубляют износ чувствительных компонентов.
К сожалению, по словам исследователей, большинство материалов не выживают в этих средах, и их характеристики соответственно ухудшаются.
Ученые сосредоточились на ванадате висмута, тонкопленочном полупроводнике, который стал основным кандидатом для использования в качестве фотоанода, положительно заряженной части фотоэлемента, которая может поглощать солнечный свет и расщеплять воду. Исходя из традиционных подходов к прогнозированию характеристик материалов, ванадат висмута должен быть устойчивым к химическому воздействию. Нет.
В действительности ванадат висмута проявляет сложную химическую нестабильность, которая возникает из-за кинетических ограничений, которые связаны с неспособностью структурно реорганизовать поверхностную фазу таким образом, чтобы она могла достичь стабильной конфигурации в рабочих условиях.
Ученые использовали тщательно подобранные экспериментальные методы для анализа ванадата висмута до и после его использования, а также непосредственно в рабочих условиях. Они обнаружили скопление генерируемого светом заряда на поверхности пленки, что привело к структурной дестабилизации и химической атаке металлооксидного полупроводника.
«Для сложных оксидов металлов требуется значительная структурная реорганизация для создания тонкого слоя на поверхности, который может быть термодинамически стабильным, и этот процесс может быть очень медленным», — сказал Тома.
Старшими авторами этого исследования являются Ян Шарп, штатный научный сотрудник отдела химических наук, и Кристин Перссон, штатный научный сотрудник в области материаловедения и инженерии, а также в области энергетических технологий.
«Сегодня ванадат висмута — один из лучших материалов, доступных для создания фотоанодов», — сказал Шарп. «Однако в конечном итоге нам необходимо открыть новые полупроводники, которые могут более эффективно поглощать свет и способствовать реакциям, которые позволяют нам хранить энергию солнца в химических связях."
Исследователи добавили, что одним из следующих шагов в понимании этих материалов является изучение взаимосвязи между местным химическим составом и характеристиками на разных отрезках длины и времени в рабочих условиях.
«Понимание происхождения процесса деградации имеет решающее значение для разработки более стойких материалов», — сказал Перссон. «Мы надеемся, что это исследование приведет к дальнейшим улучшениям в сортировке и разработке новых материалов с повышенной стабильностью в рабочих условиях."
Эта работа была выполнена в JCAP, созданном в 2010 году Министерством энергетики США для разработки экономичного метода превращения солнечного света, воды и углекислого газа в топливо. JCAP, центр энергетических инноваций Министерства энергетики, поддерживаемый Управлением науки департамента, возглавляется Калифорнийским технологическим институтом с лабораторией Беркли в качестве основного партнера.
Работа с изображениями проводилась в Molecular Foundry, офисе научного учреждения Министерства энергетики США.