Каждый зеленый лист способен преобразовывать солнечную энергию в химическую, накапливая ее в химических соединениях. Однако важный подпроцесс фотосинтеза уже можно технически имитировать - производство солнечного водорода: солнечный свет генерирует ток в так называемом фотоэлектроде, который может быть использован для расщепления молекул воды. При этом образуется водород, универсальное топливо, которое накапливает солнечную энергию в химической форме и может высвобождать ее при необходимости.
Фотоэлектроды со многими талантами
В Институте солнечного топлива HZB многие команды работают над этим видением. Основное внимание в их исследованиях уделяется получению эффективных фотоэлектродов. Это полупроводники, которые остаются стабильными в водных растворах и обладают высокой активностью: они не только могут преобразовывать солнечный свет в электрический ток, но также могут действовать как катализаторы для ускорения расщепления воды. Одним из лучших кандидатов на недорогие и эффективные фотоэлектроды является ванадат висмута (BiVO4).
Что происходит, когда находишься в воде?
"В принципе, мы знаем, что просто погружение ванадата висмута в водный раствор изменяет химический состав поверхности", - говорит доктор Дэвид Старр из Института солнечного топлива HZB. А его коллега доктор Марко Фаваро добавляет: "Хотя существует огромное количество исследований по БиВО4 Однако до сих пор не было ясно, какое именно влияние это оказывает на электронные свойства поверхности, как только они вступают в контакт с молекулами воды". В этой работе они теперь исследовали этот вопрос.
Легированный БиВО4 под водяным паром
Они изучали монокристаллы БиВО4 легированный молибденом под воздействием водяного пара с помощью фотоэмиссионной спектроскопии резонансного давления окружающей среды на усовершенствованном источнике света в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли. Затем команда, возглавляемая Джулией Галли из Чикагского университета, выполнила расчеты по теории функционала плотности, чтобы помочь интерпретировать данные и распутать вклад отдельных элементов и электронных орбиталей в электронные состояния.
Обнаружены поляроны на поверхности
"На месте резонансная фотоэмиссия позволила нам понять, как электронные свойства нашего БиВО4 кристаллы изменились при адсорбции воды", - говорит Фаваро. Комбинация измерений и расчетов показала, что из-за избыточного заряда, генерируемого либо легированием, либо дефектами на определенных поверхностях кристалла, могут образовываться так называемые поляроны: отрицательно заряженные локализованные состояния, в которых молекулы воды могут легко присоединяться, а затем диссоциировать. Гидроксильные группы, образующиеся в результате диссоциации воды, помогают стабилизировать дальнейшее образование поляронов. "Избыточные электроны локализуются в виде поляронов при VO4 единицы на поверхности", - подводит итоги Старр.
Оптимизация, основанная на знаниях
"Чего мы пока не можем точно оценить, так это какую роль поляроны играют в передаче заряда. Способствуют ли они этому и, таким образом, повышают эффективность или, наоборот, являются препятствием, нам все еще нужно выяснить это", - признает Старр. Полученные результаты дают ценную информацию о процессах, которые изменяют химический состав поверхности и электронную структуру, и могут способствовать разработке на основе знаний более совершенных фотоанодов для производства экологически чистого водорода.
Комментарии