Наномасштабная визуализация и улучшенные материалы искусственного фотосинтеза

Coatings Today
31.07.2018 316

В стремлении реализовать искусственный фотосинтез для преобразования солнечного света, воды и углекислого газа в топливо – тем же образом, как это делают растения – исследователи должны не только определить материалы, которые могут эффективно выполнять фотоэлектрохимическое расщепление воды, но и понять, почему определенный материал может подойти или нет.

Недавно ученые из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли (лаборатории Министерства энергетики США в Беркли, штат Калифорния (Berkeley Lab)) впервые разработали метод, который использует наномасштабную визуализацию, чтобы понять, как локальные, наномасштабные свойства могут влиять на макроскопические характеристики производительности материала. Исследования проводила группа учёных во главе с Йоханной Эйххорн и Франческой Томой в Отделе химических наук Лаборатории Беркли.

«Этот метод сопоставляет структуру материала с его функциональностью и дает представление о механизме переноса заряда или о том, как заряды движутся внутри материала, на нано уровне», – говорит Тома.

Искусственный фотосинтез направлен на производство энергоемкого топлива с использованием только солнечного света, воды и углекислого газа в качестве производственных ресурсов. Преимущество такого подхода заключается в том, что он не конкурирует с запасами продовольствия, в отличие от биотоплива, и не будет вырабатывать совсем никакие или крайне низкие выбросы парниковых газов. Для фотоэлектрохимической системы разделения воды требуются специальные полупроводники, которые используют солнечный свет для разделения молекул воды на водород и кислород.

Ванадат висмута был определён как перспективный материал для фотоанода, который обеспечивает заряды для окисления воды в фотоэлектрохимической ячейке. «Этот материал является примером того, когда эффективность должна быть, в теории, хорошей, но в экспериментальных тестах вы в результате наблюдаете очень низкую эффективность», – сказала Эйххорн. «Причины этого еще не до конца ясны».

Чтобы понять результаты тестов, исследователи использовали фотопроводящую атомно-силовую микроскопию для отображения потока в каждой точке образца с высоким пространственным разрешением (высокой разрешающей способностью по спектру). Этот метод уже использовался для анализа локального переноса заряда и оптоэлектронных свойств материалов солнечных элементов, но прежде никогда не использовался для понимания ограничений переноса носителей заряда в фотоэлектрохимических материалах в наномасштабе.

Эйххорн и Тома работали над этими измерениями с учеными в научно-исследовательском центре нанотехнологий в Беркли, с помощью местной пользовательской программы. Это помогло выявить различия в производительности, связанные со структурой материала на нано уровне.

«Мы обнаружили, что способ использования зарядов не является однородным во всём образце, а скорее присутствует гетерогенность», – уверяет Эйххорн. «Эти различия в производительности могут объяснять и макроскопические характеристики – общий результат образца – когда мы выполняем расщепление воды».

Для пояснения этой характеристики, исследователи приводят пример панели солнечной батареи. «Предположим, что панель имеет 22-процентную эффективность. Но можно ли утверждать, что в каждой точке панели на наноуровне имеется  22% эффективность? Такой метод позволяет определённо сказать «да» или «нет» именно для фотоэлектрохимических материалов. Если ответ отрицательный, это означает, что на вашем материале меньше активных точек. В лучшем случае это просто снижает общую эффективность, но если имеют место быть более сложные процессы, эффективность может быть уменьшена довольно сильно».

Более ясное понимание того, как работает ванадат висмута, также позволит исследователям синтезировать новые материалы, которые могут более эффективно управлять той же реакцией. Это исследование основывается на предыдущих исследованиях Томы и других, в которых она смогла проанализировать и предсказать механизм, который определяет (фото)химическую стабильность фотоэлектрохимического материала.

Исследователи уверены, что эти результаты значительно приблизили ученых к достижению эффективного искусственного фотосинтеза. «Теперь мы знаем, как измерять местный фотоэлектронный ток в таких материалах, которые имеют очень низкую проводимость. Следующим шагом должно стать все то же самое – в жидком электролите. У нас уже есть  необходимые инструменты. Теперь мы знаем, как интерпретировать результаты и как их анализировать, что является важным первым шагом для продвижения вперед».

Связаться с нами

Готово, ваша заявка успешно отправлена.
Ошибка, попробуйте обновить страницу и попробовать снова.

Вам будет интересно

Технология патинирования и чернения меди и медных сплавов
Технология патинирования и чернения меди и медных сплавов
Процесс холодного оксидирования стали F – 16 для патинирования меди и медных сплавов. Как получить…
Coatings Today
15.11.2018
331
Ручной пистолет-распылитель преодолевает мощностные барьеры
Ручной пистолет-распылитель преодолевает мощностные барьеры
В ручном пистолете-распылителе OptiFlex Pro от компании Gema используется новая технология, которая обеспечивает самую высокую…
Coatings Today
26.01.2020
367
Rosmould & 3D-TECH | Rosplast 2023 готовятся к новым рекордам
Rosmould & 3D-TECH | Rosplast 2023 готовятся к новым рекордам
Темпы регистрации посетителей дают все основания ожидать свыше 10 000 профессиональных посетителей
18.04.2023
45
Льдофобные силиконовые покрытия на эпоксидной подложке
Льдофобные силиконовые покрытия на эпоксидной подложке
Зимой, когда поезда движутся с большой скоростью, снег, падающий на рельсы, легко затягивается на дно…
17.01.2022
176
Решение проблемы перекачивания клея при помощи шланговых насосов
Решение проблемы перекачивания клея при помощи шланговых насосов
Всемирно известный производитель бумажных салфеток пользуется многочисленными преимуществами шланговых насосов для перекачивания клея/краски, используемых в…
Coatings Today
18.08.2021
140
Металлические покрытия могут замедлить распространение вируса
Металлические покрытия могут замедлить распространение вируса
Исследование Университета Конкордия в Монреале направлено на создание противовирусных металлических и керамических покрытий как средства…
Coatings Today
05.08.2020
262
Feltani Reti: подвешивание алюминиевых профилей в центре внимания
Feltani Reti: подвешивание алюминиевых профилей в центре внимания
Компания Feltani Reti Snc (Камподарсего, Падуя, Италия) посвящала себя обработке металлической проволоки в течение почти…
Coatings Today
22.05.2019
335
Влияние гидроксида алюминия на вспучивающиеся покрытия
Влияние гидроксида алюминия на вспучивающиеся покрытия
Недавно был разработан и исследован огнестойкий состав на основе полифосфата аммония и пентаэритритола, содержащий ряд…
Coatings Today
06.11.2019
302
Смеситель для красок EcoDose 3K почти не требует технического обслуживания
Смеситель для красок EcoDose 3K почти не требует технического обслуживания
Представители компании Dürr утверждают, что новый трехкомпонентный смеситель для красок EcoDose 3K практически не требует…
Coatings Today
31.12.2020
230