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».
