«Их открытие может помочь заменить метод проб и ошибок при соединении электрокатализаторов с полупроводниками на эффективный метод использования солнечного света для отделения водорода и кислорода от воды для производства возобновляемой энергии», — говорит Шеннон В. Бетчер, профессор химии и заведующий лабораторией солнечных материалов и электрохимии в Институте материаловедения UO.Исследование описано в статье, опубликованной в декабре. 1 перед регулярной публикацией в журнале Nature Materials.
Солнечные водоразделительные элементы, имитирующие фотосинтез, требуют по крайней мере двух разных типов материалов: полупроводника, который поглощает солнечный свет и генерирует возбужденные электроны, и электрокатализатора, обычно очень тонкой пленки оксида металла, содержащей такие элементы, как никель, железо и другие. кислород, который служит для ускорения скорости, с которой электроны перемещаются между молекулами воды, которые расщепляются на водород и кислород.
«Мы разработали новый способ изучения потока электронов на границе раздела полупроводников и электрокатализаторов», — сказал Бетчер. «Мы изготовили устройства с отдельными металлическими контактами для полупроводника и электрокатализатора."
Для этого ведущий автор Фудинг Линь, научный сотрудник, получивший докторскую степень, осуществил электрический контакт с монокристаллом полупроводникового диоксида титана и покрыл его различными пленками электрокатализатора.
Пленка золота толщиной всего 10 нанометров использовалась для электрического контакта с верхней частью электрокатализаторов. Оба контакта использовались в качестве датчиков для независимого мониторинга и контроля напряжения и тока на переходах полупроводник-электрокатализатор с помощью устройства, известного как бипотенциостат.
Линь сосредоточился на реакции выделения кислорода — самом сложном и неэффективном этапе процесса расщепления воды.
«Этот эксперимент позволил нам наблюдать, как заряд накапливается в катализаторе, и изменять напряжение на катализаторе», — сказал Ботчер. Оказывается, сказал Лин, тонкий слой ионно-пористого электрокатализатора работает лучше всего, потому что свойства границы раздела с полупроводником адаптируются во время работы, когда заряды, возбуждаемые солнечным светом, перетекают из полупроводника на катализатор.
Исследование было разработано, чтобы понять, как максимальная энергия может быть извлечена из возбужденных электронов в полупроводнике, когда электроны входят в катализатор, где химическая реакция разделяет кислород и водород.
По словам Линь, на сегодняшний день исследователи экспериментируют с материалами для создания эффективных и экономичных устройств, но минимизация потерь энергии, связанных с интерфейсом катализатор-полупроводник, является серьезным препятствием.
В своем исследовании Лин сравнил движение электронов между полупроводниками, покрытыми пористым оксигидроксидом никеля — пленка, ранее показанная лабораторией Боттчера, обеспечивающая превосходную электрокаталитическую эффективность для отделения кислорода от воды — с полупроводниками, модифицированными непроницаемыми пленками оксида иридия.
«Ионно-пористый материал позволяет воде и ионам проникать в каталитический материал», — сказал Лин. «Когда эти катализаторы находятся в растворе, энергия катализатора может перемещаться вверх и вниз по мере изменения его степени окисления."
Катализаторы с непористой структурой в переходах полупроводник-каталитический не демонстрируют такого поведения и, как правило, также не работают, сказал Бетчер, который также является членом Oregon BEST (Центр построенной окружающей среды и устойчивых технологий штата Орегон), подписи государства. инициатива.
Преобразование солнечного света в энергию и сохранение его для последующего использования экономически целесообразным способом является серьезной проблемой в стремлении заменить ископаемое топливо возобновляемой энергией. Традиционные солнечные фотоэлектрические элементы поглощают солнечный свет, образуя возбужденные электроны, которые направляются в провода в виде электричества, но хранение энергии в виде электричества, например, в батареях, является дорогостоящим.
Подробности того, как возбужденные электроны перемещаются от полупроводников к катализаторам, плохо изучены, сказал Бетчер. "Такое непонимание затрудняет улучшение устройств для разделения воды, поскольку исследователи полагаются на метод проб и ошибок, а не на рациональную конструкцию."
Система, использованная в исследовании, добавил Ботчер, была неэффективной. «Это не было нашей целью», — сказал он. "Мы хотели понять, что происходит на базовом уровне, с помощью четко определенных материалов. Это облегчит проектирование систем, более эффективных с использованием других материалов."
«Исследователи из Университета Орегона реинжиниринги науки, производства и бизнес-процессов, связанных с критически важными продуктами», — сказала Кимберли Эндрюс Эспи, вице-президент по исследованиям и инновациям и декан аспирантуры UO. "Это важное открытие доктора. Бетчер и его команда могут создать более эффективные системы, которые помогут обеспечить устойчивое будущее."
Исследователи использовали Центр перспективных характеристик материалов в Орегоне (CAMCOR) и Сеть поддержки исследований и инноваций в солнечной энергии (SuNRISE) для изучения интерфейсов.
U.S. Министерство энергетики (DE-FG0212ER16323) финансировало исследование.
Программа DuPont Young Professor Program также поддерживает работу Боттчера.