Ultimate magazine theme for WordPress.

نگاهی دقیق به پتانسیل سوخت خورشیدی تقسیم آب

0

نگاهی دقیق به پتانسیل سوخت خورشیدی تقسیم آب

 

نگاهی دقیق به پتانسیل سوخت خورشیدی تقسیم آب
چپ: تصاویر میکروسکوپی نیروی اتمی فیلمهای نازک Mo-BiVO4 قبل از تخریب (بالا چپ) و بعد از تخریب (پایین چپ). خوردگی باعث می شود دانه های مواد از یکدیگر جدا شوند. راست: نقشه های جذب اشعه X از لایه های نازک Mo-BiVO4 قبل از تخریب (بالا راست) و بعد از تخریب (پایین راست). مناطق تاریک مربوط به مناطقی با غلظت بالای Mo-BiVO4 است ، در حالی که مناطق روشن مناطق با غلظت کم Mo-BiVO4 را نشان می دهد. اعتبار: آزمایشگاه برکلی

نگاهی دقیق به پتانسیل سوخت خورشیدی تقسیم آب در مبارزه با تغییرات اقلیمی ، دانشمندان به دنبال راه هایی برای جایگزینی سوخت های فسیلی با گزینه های بدون کربن مانند سوخت هیدروژن هستند.

دانشکده ها : دستگاهی که به عنوان سلول شیمیایی فوتوالکتریک شناخته می شود (PEC) پتانسیل تولید سوخت هیدروژن از طریق فتوسنتز مصنوعی را دارد ، فناوری انرژی تجدیدپذیر که از انرژی ناشی از نور خورشید برای هدایت واکنش های شیمیایی مانند تقسیم آب به هیدروژن و اکسیژن استفاده می کند.

رمز موفقیت یک PEC نه تنها در واکنش خوب فوتوالکترود آن با نور برای تولید هیدروژن بلکه اکسیژن نیز نهفته است. تعداد کمی از مواد می توانند به خوبی این کار را انجام دهند و طبق تئوری ، یک مواد غیر آلی بنام بیسموت وانادات (BiVO ۴ ) نامزد خوبی است.

با این وجود این فناوری هنوز جوان است و محققان در این زمینه تلاش کرده اند تا یک فوتوالکترود BiVO ۴ بسازد که در دستگاه PEC به اندازه پتانسیل خود کار کند. اکنون ، همانطور که در مجله Small گزارش شده است ، یک تیم تحقیقاتی به سرپرستی دانشمندان در آزمایشگاه ملی لارنس برکلی وزارت انرژی (آزمایشگاه برکلی) و مرکز مشترک فتوسنتز مصنوعی (JCAP) ، نوآوری انرژی DOE هاب ، بینش مهم جدیدی را درباره آنچه ممکن است در مقیاس نانو (میلیاردیمم متر) برای جلوگیری از BiVO ۴ عقب باشد ، کسب کرده است.

“فرانچسکا توما ، نویسنده ارشد ، نویسنده ارشد ، گفت:” هنگامی که شما یک ماده ، مانند یک ماده غیر آلی مانند بیسموت وانادات را می سازید ، فقط با نگاه کردن آن با چشم غیر مسلح تصور می کنید که ماده یکدست و یکنواخت است. ” دانشمند کارمند در JCAP در بخش علوم شیمی آزمایشگاه برکلی. “اما وقتی می توانید جزئیات را در یک ماده در مقیاس نانو مشاهده کنید ، ناگهان آنچه شما یکدست فرض می کنید در واقع ناهمگن است – با مجموعه ای از خواص مختلف و ترکیبات شیمیایی. و اگر می خواهید کارایی یک ماده فوتوالکترود را بهبود ببخشید ، باید بیشتر بدانید درباره آنچه در مقیاس نانو اتفاق می افتد. “

اشعه ایکس و شبیه سازی تصویر واضح تری را در کانون توجه قرار می دهد

در یک مطالعه قبلی که توسط برنامه تحقیق و توسعه آزمایشگاه پشتیبانی شده بود ، توما و نویسنده ارشد Johanna Eichhorn تکنیک ویژه ای را با استفاده از میکروسکوپ نیروی اتمی در آزمایشگاه JCAP آزمایشگاه برکلی برای ضبط تصاویر فیلم نازک بیسموت وانادات در مقیاس نانو ایجاد کردند درک کنید که چگونه خصوصیات یک ماده می تواند بر عملکرد آن در دستگاه فتوسنتز مصنوعی تأثیر بگذارد. (آیخورن ، که هم اکنون در انستیتوی والتر شوتکی از دانشگاه فنی مونیخ در آلمان به سر می برد ، در زمان مطالعه ، محقق بخش علوم شیمیایی آزمایشگاه برکلی بود.)

مطالعه حاضر با استفاده از میکروسکوپ اشعه ایکس انتقال اسکن (STXM) در منبع نور پیشرفته آزمایشگاه برکلی (ALS) بر اساس این کار پیشگامانه است ( als.lbl.gov/ ) ، تسهیلات کاربر سنکروترون ، جهت ترسیم تغییرات در ماده نیمه رسانای فیلم نازک ساخته شده از وانادات بیسموت مولیبدن (Mo-BiVO ۴ ).

محققان از بیسموت وانادات به عنوان نمونه ای از فوتوالکترود استفاده کردند زیرا این ماده می تواند نور را در محدوده قابل مشاهده در طیف خورشیدی جذب کند و هنگامی که با کاتالیزور ترکیب شود ، خصوصیات فیزیکی آن باعث می شود که در شکاف آب اکسیژن ایجاد کند. واکنش. توما توضیح داد: وانادات بیسموت یکی از معدود موادی است که می تواند این کار را انجام دهد و در این حالت ، افزودن مقدار کمی مولیبدن به BiVO ۴ به نوعی عملکرد آن را بهبود می بخشد.

نگاهی دقیق به پتانسیل سوخت خورشیدی تقسیم آب
Francesca Toma (سمت راست) و Johanna Eichhorn تکنیک ویژه ای را با استفاده از میکروسکوپ نیروی اتمی در آزمایشگاه JCAP آزمایشگاه برکلی تهیه کردند تا تصاویری از وانادات بیسموت فیلم نازک را در مقیاس نانو به دست آورند تا بفهمند چگونه خصوصیات یک ماده می تواند بر عملکرد آن در یک دستگاه فتوسنتز مصنوعی تأثیر بگذارد. اعتبار: مرلین سارگنت / آزمایشگاه برکلی

وقتی آب به H2 و O2 تقسیم می شود ، باید پیوندهای هیدروژن-هیدروژن و اکسیژن-اکسیژن تشکیل شود. اما اگر هر مرحله در تقسیم آب از همگام سازی خارج شود ، واکنش های ناخواسته ای رخ می دهد که می تواند منجر به خوردگی شود. توما توضیح داد: “و اگر می خواهید یک ماده را به یک دستگاه تجزیه کننده آب تجاری تبدیل کنید ، هیچ کس چیزی را نمی خواهد که تخریب شود. بنابراین ما می خواستیم تکنیکی را تهیه کنیم که در آن مشخص شود کدام مناطق در مقیاس نانو بهترین تولید اکسیژن هستند.” .

کار با دانشمند کارمندان ALS ، دیوید شاپیرو ، توما و تیم او از STXM برای اندازه گیری مقیاس نانو در دانه ها در یک فیلم نازک از Mo-BiVO ۴ استفاده کردند ، زیرا مواد در پاسخ به تخریب واکنش تقسیم آب که توسط نور و الکترولیت ایجاد می شود. شاپیرو گفت: “ناهمگنی شیمیایی در مقیاس نانو در یک ماده اغلب می تواند به خواص جالب و مفیدی منجر شود و تعداد کمی از تکنیک های میکروسکوپی می تواند ساختار مولکولی ماده را در این مقیاس بررسی کند.” “ابزارهای STXM در منبع نور پیشرفته کاوشگرهای بسیار حساسی هستند که می توانند این ناهمگنی را با وضوح مکانی بالا کمی تخریب کنند و بنابراین می توانند درک عمیق تری از این خصوصیات را فراهم کنند.”

دیوید پرندرگست ، مدیر بخش موقت ریخته گری مولکولی و سباستین ریس-لیلو ، محقق سابق دکترا در ریخته گری ، به تیم کمک کردند تا درک کند چگونه Mo-BiVO ۴ با توسعه محاسبات به نور پاسخ می دهد ابزارهایی برای تجزیه و تحلیل “اثر انگشت” طیفی هر مولکول. ریس-لیلو در حال حاضر استاد دانشگاه آندرس بلو در شیلی و یک کاربر ریخته گری مولکولی است. ریخته گری مولکولی یک مرکز ملی استفاده از مرکز تحقیقات علوم در مقیاس نانو است.

توما گفت: “روش Prendergast واقعاً قدرتمند است.” “اغلب هنگامی که شما دارای مواد ناهمگن پیچیده ساخته شده از اتمهای مختلف هستید ، درک داده های آزمایشی به راحتی قابل درک نیست. این روش به شما می گوید که چگونه این داده ها را تفسیر کنید. و اگر درک بهتری از داده ها داشته باشیم ، می توانیم استراتژی های بهتری ایجاد کنیم برای اینکه الکترودهای فوتوساختار Mo-BiVO ۴ کمتر در برابر خوردگی در هنگام تقسیم آب آسیب پذیر شوند. “

Reyes-Lillo افزود که استفاده توما از این روش و کار در JCAP باعث شد درک عمیق تری از Mo-BiVO ۴ وجود داشته باشد که در غیر این صورت امکان پذیر نخواهد بود. “این رویکرد اثر انگشتهای شیمیایی عنصری خاص از ساختار الکترونیکی محلی مواد را نشان می دهد ، و این امر خصوصاً برای مطالعه پدیده ها در مقیاس نانو مناسب است. مطالعه ما گامی در جهت بهبود عملکرد BiVO نیمه هادی ۴ است – وی گفت: “مواد مبتنی بر فن آوری های سوخت خورشیدی.”

مراحل بعدی

محققان بعداً قصد دارند با گرفتن تصاویر STXM در حین کار این تکنیک را بیشتر توسعه دهند تا بتوانند نحوه تغییر شیمیایی مواد را به عنوان فوتوالکترود در سیستم مدل PEC درک کنند.

“من به این کار بسیار افتخار می کنم. ما باید راه حل های جایگزینی برای سوخت های فسیلی پیدا کنیم و به گزینه های تجدیدپذیر نیاز داریم. حتی اگر فردا این فناوری برای بازار آماده نباشد ، تکنیک ما – همراه با ابزارهای قدرتمند در دسترس برای کاربران در منبع نور پیشرفته و ریخته گری مولکولی – مسیرهای جدیدی را برای فناوری های انرژی تجدیدپذیر باز می کند تا تفاوت ایجاد کند. “


تقسیم آب: تصویربرداری در مقیاس نانو دیدگاه های کلیدی را ایجاد می کند

اطلاعات بیشتر: Johanna Eichhorn و همکاران ، آشکار کردن ناهمگنی های شیمیایی در مقیاس نانو در فیلم های نازک Mo ‐ BiVO ۴ Thin Films ، Small (۲۰۲۰). DOI: 10.1002 / smll.202001600

اطلاعات ژورنال: کوچک
تهیه شده توسط آزمایشگاه ملی لارنس برکلی
ارسال یک پاسخ

آدرس ایمیل شما منتشر نخواهد شد.