Peningkatan lanjutan untuk bahan bakar bertenaga surya dengan divisi air

Para ilmuwan menggunakan komputer dan mikroskop untuk menemukan cara meningkatkan kinerja perangkat yang menggunakan matahari untuk memisahkan air dan membuat hidrogen sebagai bahan bakar berkelanjutan. Kredit: Ilustrasi oleh Peter Allen

Penelitian dari Pritzker School of Molecular Engineering dapat membantu menjadikan hidrogen sebagai bahan bakar yang berkelanjutan dan berguna.

Hidrogen adalah bahan bakar yang sangat kuat dan bahan-bahannya ada di mana-mana, di air biasa yang lama. Para peneliti ingin sekali dapat menggunakannya secara luas sebagai sumber energi bersih dan berkelanjutan.

Salah satu masalahnya, bagaimanapun, adalah sejumlah besar energi yang dibutuhkan untuk memisahkan air dan menghasilkan hidrogen. Dengan demikian, para ilmuwan telah bekerja untuk membuat bahan untuk fotoelektroda yang dapat menggunakan energi matahari untuk memisahkan air, menciptakan “bahan bakar surya” yang dapat disimpan untuk digunakan nanti.

Ilmuwan dengan Universitas Chicago, Universitas Wisconsin – Madison dan Laboratorium Nasional Brookhaven menerbitkan terobosan baru dalam pembuatan fotoelektroda ini. Penelitiannya, dilaporkan Energi Alam pada 18 Februari 2021, dia mendemonstrasikan bahwa memodifikasi lapisan atas atom pada permukaan elektroda dapat meningkatkan kinerjanya secara signifikan.

“Hasil kami sangat penting untuk memahami dan meningkatkan fotoelektroda yang digunakan dalam produksi bahan bakar surya,” kata Giulia Galli, profesor Teknik Molekuler di Keluarga Liew dan profesor kimia di UChicago, ilmuwan senior di Laboratorium Nasional Aronne. Dan penulis terkait dari kerja.

“Setiap peningkatan yang kami lakukan membuat kami semakin dekat dengan janji masa depan bahan bakar yang berkelanjutan,” tambah koresponden Kyoung-Shin Choi, seorang profesor kimia di Universitas Wisconsin-Madison.

Galli dan Choi masing-masing adalah pemimpin teoritis dan eksperimental di bidang bahan bakar surya, dan telah bekerja sama selama beberapa tahun untuk merancang dan mengoptimalkan fotoelektroda untuk menghasilkan bahan bakar surya. Untuk memahami efek komposisi permukaan elektroda, mereka bekerja sama dengan mahasiswa UChicago Mingzhao Liu, MS’03, PhD’07, seorang ilmuwan di Center for Fungsional Nanomaterials di Brookhaven National Laboratory.

Fotoelektroda bekerja dengan menyerap energi sinar matahari, yang menghasilkan potensial listrik dan arus yang dapat membagi air menjadi oksigen dan hidrogen.

Tim menyelidiki bahan fotoelektroda yang disebut bismuth vanadate, yang menjanjikan karena sangat menyerap sinar matahari melalui berbagai panjang gelombang dan tetap relatif stabil di dalam air. Secara khusus, mereka ingin menyelidiki permukaan elektroda. “Sifat material curah telah dipelajari secara ekstensif; namun, dampak permukaan pada pembagian air sulit untuk diketahui, ”Liu menjelaskan, penulis dokumen yang terkait.

“Setiap peningkatan yang kami lakukan membuat kami semakin dekat dengan janji masa depan bahan bakar yang berkelanjutan.”

Kyoung-Shin Choi, Profesor Kimia di Universitas Wisconsin – Madison

Di Brookhaven, Liu dan mahasiswa pascasarjana Chenyu Zhou telah menyempurnakan metode untuk menumbuhkan bismuth vanadate sebagai fotoelektroda dengan orientasi dan struktur permukaan yang jelas. “Namun,” kata Zhou, “kami tahu fotoelektroda kami memiliki sedikit lebih banyak vanadium daripada bismut di permukaan.” Kelompok itu ingin tahu apakah versi bismut yang lebih kaya akan berkinerja lebih baik.

Di UW-Madison, Choi dan siswa Dongho Lee menemukan cara untuk mengubah komposisi permukaan tanpa mengubah komposisi sisa elektroda dan membuat sampel dengan lebih banyak atom bismut di permukaan.

Untuk memahami pada tingkat molekuler apa yang sedang terjadi, dua komposisi permukaan yang berbeda diperiksa dengan menggunakan instrumen khusus di Pusat Bahan Nano Fungsional, termasuk mikroskop penerowongan pemindaian. Wennie Wang, seorang sarjana postdoctoral di kelompok Galli, membandingkan gambar mikroskop eksperimental dan simulasi dan mengidentifikasi model struktur permukaan yang sangat mirip dengan sampel eksperimental.

“Perhitungan mekanika kuantum kami memberikan banyak informasi, termasuk properti elektronik dari permukaan dan posisi atom yang tepat,” kata Wang. “Informasi ini sangat penting dalam menafsirkan eksperimen.”

Tim kemudian membandingkan apa yang terjadi ketika cahaya menghantam permukaan. Mereka menemukan bahwa permukaan dengan atom bismut yang berlebih lebih disukai untuk reaksi pemisahan air.

“Ketika bismuth vanadate menyerap cahaya, ia menghasilkan elektron dan celah elektron yang disebut lubang,” kata Lee. “Apa yang kami temukan adalah bahwa permukaan berlapis bismut mengangkat elektron ke energi yang lebih tinggi dan juga mengarah pada pemisahan elektron dari lubang yang lebih efisien; secara umum, memiliki lebih banyak atom bismut di permukaan mendukung reaksi pemisahan bismut. ‘ air’.

“Penelitian teoritis dan eksperimental kami yang terintegrasi erat sangat penting untuk mendapatkan pemahaman tingkat atom tentang bagaimana modifikasi permukaan dapat mengubah properti fotoelektroda,” kata Choi.

“Kolaborasi kami yang didanai oleh National Science Foundation sangat membuahkan hasil,” tambah Galli.

Para peneliti kemudian akan mengeksplorasi bagaimana fotoelektroda bismut vanadium berinteraksi dengan lapisan katalis yang diaplikasikan di atas permukaan fotoelektroda untuk memfasilitasi oksidasi air.

“Kami yakin hasil dari studi kami akan menjadi landasan penting untuk studi di masa depan,” kata Liu.

“Kami mengidentifikasi bagian penting dari kompleks teka-teki pembagian air dan berharap untuk terus mengeksplorasi cara-cara untuk meningkatkan produksi bahan bakar surya sebagai alternatif berkelanjutan untuk bahan bakar fosil,” tambah Galli.

Referensi: “Dampak komposisi permukaan pada energi antarmuka dan sifat fotoelektrokimia BiVO4“Oleh Dongho Lee, Wennie Wang, Chenyu Zhou, Xiao Tong, Mingzhao Liu, Giulia Galli dan Kyoung-Shin Choi, 18 Februari 2021, Energi Alam.
DOI: 10.1038 / s41560-021-00777-x

Pekerjaan ini didanai oleh National Science Foundation dan menggunakan sumber daya komputasi dari University of Chicago Research Computing Center. Pekerjaan di Brookhaven dilakukan di fasilitas pengguna untuk sintesis dan karakterisasi bahan proksimal dan probe dan didanai oleh Kantor Ilmu Pengetahuan Departemen Energi.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Skrining sinar-X mengidentifikasi obat yang menjanjikan untuk pengobatan COVID-19

Sebuah tim peneliti, termasuk ilmuwan MPSD, telah mengidentifikasi beberapa kandidat untuk melawan obat tersebut SARS-CoV-2 coronavirus menggunakan sumber cahaya sinar-X PETRA III di German...

Teori konspirasi memengaruhi perilaku kita – bahkan jika kita tidak mempercayainya!

Paling tidak karena COVID-19 pandemi, teori konspirasi lebih relevan dari sebelumnya. Mereka diberitakan dan didiskusikan di hampir semua media dan komunikasi. Tapi...

“Doodle Ringan” Nyata dalam Waktu Nyata

Para peneliti di Tokyo Metropolitan University telah merancang dan menerapkan algoritme yang disederhanakan untuk mengubah garis yang digambar secara bebas menjadi hologram pada CPU...

Teleskop Webb NASA menyertakan tabir surya seukuran lapangan tenis untuk perjalanan jutaan kilometer

Kedua wajah tabir surya James Webb Space Telescope dinaikkan secara vertikal untuk mempersiapkan pelipatan lapisan tabir surya. Kredit: NASA / Chris Gunn Insinyur bekerja...

Mineralogi Hangat Global Mengelola Pusat Perlindungan Kehidupan Batin

Tim lapangan DeMMO dari kiri ke kanan: Lily Momper, Brittany Kruger, dan Caitlin Casar mengambil sampel air yang meledak dari toilet DeMMO. Pendanaan:...

Newsletter

Subscribe to stay updated.