Бульбашки водню виділяються з води в тонкому шарі оксинітриду галію, утвореному на поверхні нітриду галію. Ця робота демонструє, що хімічне перетворення нітриду галію в оксинітрид галію призводить до тривалої роботи та посилення каталітичної активності, таким чином показуючи перспективність шарів оксинітриду як захисних каталітичних покриттів для виділення водню. Авторство: ілюстрації Ella Maru Studios
Три роки тому вчені з Мічиганського університету виявили пристрій для штучного фотосинтезу, виготовлений із кремнію та нітриду галію (Si/GaN), який використовує сонячне світло в безвуглецевий водень для паливних елементів з удвічі більшою ефективністю та стабільністю, ніж деякі попередні технології.
Тепер вчені з національних лабораторій Лоуренса Лівермора та Лоуренса Берклі у співпраці з Мічиганським університетом виявили дивовижну властивість Si/GaN самовдосконалення, яка сприяє високоефективній і стабільній роботі матеріалу при перетворенні світла та води на вуглець. -вільний водень. Дослідження, повідомлені в Матеріали природи, може допомогти радикально прискорити комерціалізацію технологій штучного фотосинтезу та водневих паливних елементів.
Матеріали в системах сонячного палива зазвичай деградують, стають менш стабільними і, як наслідок, виробляють водень менш ефективно, але команда виявила незвичайну властивість у Si/GaN, яка якимось чином дозволяє йому стати більш ефективним і стабільним.
Попередні штучні матеріали для фотосинтезу є або чудовими поглиначами світла, яким бракує довговічності, або вони є міцними матеріалами, які не мають ефективності світлопоглинання.
Але кремній і нітрид галію є поширеними та дешевими матеріалами, які широко використовуються як напівпровідники в повсякденній електроніці, такій як світлодіоди (світлодіоди) і сонячні елементи, сказав співавтор Zetian Mi, професор електротехніки та комп’ютерної інженерії в Університеті ім. Мічиган, який десять років тому винайшов пристрої для штучного фотосинтезу Si/GaN.
Коли пристрій Мі з Si/GaN досяг рекордної 3-відсоткової ефективності перетворення сонячної енергії на водень, він задумався, як такі звичайні матеріали можуть працювати так надзвичайно добре в екзотичному пристрої для штучного фотосинтезу – тому він звернувся до старшого автора та вченого з лабораторії Берклі Франчески Тома. для допомоги.
HydroGEN: використання командного наукового підходу до сонячного палива
Мі дізнався про досвід Тома в передових методах мікроскопії для дослідження властивостей нанорозмірних (мільярдних часток метра) матеріалів штучного фотосинтезу через HydroGEN, що підтримується Управлінням технологій водню та паливних елементів Міністерства енергетики.
HydroGEN — це національний консорціум лабораторій, очолюваний Національною лабораторією відновлюваної енергії, який сприяє співпраці між національними лабораторіями, академічними колами та промисловістю для розробки передових матеріалів для розщеплення води.
Тома та провідний автор Guosong Zeng, докторант відділу хімічних наук лабораторії Берклі, підозрювали, що GaN може відігравати певну роль у незвичайному потенціалі пристрою для ефективності та стабільності виробництва водню.
Щоб з’ясувати це, Цзен провів експеримент з фотопровідної атомно-силової мікроскопії, щоб перевірити, як фотокатоди GaN можуть ефективно перетворювати поглинені фотони в електрони, а потім залучати ці вільні електрони для розщеплення води на водень, перш ніж матеріал почне деградувати та стане менш стабільним і ефективним. .
Вони спостерігали покращення фотоструму матеріалу на 2-3 порядки, що надходить від крихітних граней уздовж «бічної стінки» зерна GaN. Матеріал також збільшив свою ефективність з часом, хоча загальна поверхня матеріалу не змінилася настільки.
Щоб зібрати більше підказок, дослідники залучили скануючу трансмісійну електронну мікроскопію (STEM) у Національному центрі електронної мікроскопії в Molecular Foundry лабораторії Берклі та рентгенівську фотонну спектроскопію, залежну від кута (XPS).
Ці експерименти показали, що шар товщиною 1 нанометр, змішаний з галієм, азотом і киснем або оксинітридом галію, утворився вздовж деяких бічних стінок. Відбулася хімічна реакція, додавши «активні каталітичні центри для реакцій виробництва водню», — сказав Тома.
Моделювання функціональної теорії щільності (DFT), проведене співавторами Tadashi Ogitsu і Anh Pham з LLNL, підтвердило їхні спостереження. «Шляхом розрахунку зміни розподілу хімічних частинок на певних ділянках поверхні матеріалу ми успішно знайшли структуру поверхні, яка корелює з розвитком оксинітриду галію як місця реакції виділення водню», — сказав Огіцу. «Ми сподіваємося, що наші висновки та підхід – тісно інтегрована співпраця між теорією та експериментами, яку підтримує консорціум HydroGEN – будуть використані для подальшого вдосконалення технологій виробництва водню з відновлюваних джерел».
Заглядаючи вперед, Тома сказала, що вона та її команда хотіли б випробувати фотокатод Si/GaN у фотоелектрохімічній комірці, що розділяє воду, і що Цзен буде експериментувати з подібними матеріалами, щоб краще зрозуміти, як нітриди сприяють стабільності пристроїв для штучного фотосинтезу. – що вони ніколи не думали, що це можливо.
«Це було абсолютно несподівано», — сказав Цзен. «Це не мало сенсу, але розрахунки DFT Фам дали нам пояснення, необхідні для підтвердження наших спостережень. Наші висновки допоможуть нам розробити ще кращі пристрої для штучного фотосинтезу».
Посилання: «Розробка фотоелектрохімічно самовдосконалюючого Si/GaN фотокатода для ефективного та довговічного H2 production» Guosong Zeng, Tuan Anh Pham, Srinivas Vanka, Guiji Liu, Chengyu Song, Jason K. Cooper, Zetian Mi, Tadashi Ogitsu і Francesca M. Toma, 5 квітня 2021 р., Матеріали природи.
DOI: 10.1038 / s41563-021-00965-w
Ця робота була підтримана Консорціумом розширених матеріалів для розщеплення води HydroGEN, створеним як частина Мережі енергетичних матеріалів під управлінням Управління енергоефективності та відновлюваної енергії Міністерства енергетики.
