Esta máquina de combustível de hidrogênio pode ser o guia definitivo para o autoaperfeiçoamento

Três anos atrás, cientistas da Universidade de Michigan descobriram um dispositivo de fotossíntese sintético feito de silício e nitreto de gálio (Si / GaN) que usa a luz do sol em hidrogênio livre de carbono para células de combustível com o dobro da eficiência e estabilidade de algumas das tecnologias anteriores.

Agora, cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Laboratório de Berkeley) – em colaboração com a Universidade de Michigan e o Laboratório Nacional Lawrence Livermore (LLNL) – descobriram uma propriedade incrível de autoaperfeiçoamento de Si / GaN que contribui para os materiais ‘desempenho altamente eficiente e estável na conversão de luz e água em livre de carbono hidrogênio. Suas descobertas são relatadas no jornal Materiais da natureza, Poderia ajudar a acelerar radicalmente a comercialização de tecnologias de fotossíntese artificial Células de combustível de hidrogênio.

“Nossa descoberta não é real para o jogo”, disse a autora sênior Francesca Touma, cientista do Departamento de Ciências Químicas do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Laboratório de Berkeley) do Departamento de Energia. Normalmente, os materiais nos sistemas de combustível solar se degradam, tornam-se menos estáveis ​​e, portanto, produzem hidrogênio com menos eficiência, disse ela. “Mas descobrimos uma propriedade incomum em Si / GaN que de alguma forma permite que ele se torne mais eficiente e estável. Nunca vi tal estabilidade antes.”

Os materiais fotossintéticos sintéticos anteriores são excelentes materiais que absorvem luz e não têm durabilidade; Ou são materiais duráveis ​​que não têm eficiência de absorção de luz.

O co-autor Zetian Mi, professor de engenharia elétrica e de computação na Universidade da Universidade, disse que o silício e o nitreto de gálio são materiais abundantes e baratos que são amplamente usados ​​como semicondutores na eletrônica do dia-a-dia, como LEDs (diodos emissores de luz) e células solares. Michigan, que inventou a fotossíntese sintética Si / GaN há uma década.

Quando o instrumento Si / GaN de Mi atingiu uma eficiência recorde de 3 por cento solar em relação ao hidrogênio, ele se perguntou como tais materiais comuns poderiam funcionar tão bem em um estranho aparelho de fotossíntese artificial – então ele pediu ajuda a Touma.

HydroGEN: uma abordagem de equipe científica para combustíveis solares

Mai conhecia a experiência de Touma em técnicas avançadas de microscopia para examinar as propriedades da nanoescala (um bilionésimo de metro) de materiais fotossintéticos artificiais por meio de hidrogênioÉ um consórcio de laboratórios de cinco países apoiado pelo Ministério da Energia Escritório de tecnologias de hidrogênio e células de combustívelE liderado pelo Laboratório Nacional de Energia Renovável para facilitar a colaboração entre laboratórios nacionais, academia e indústria para desenvolver materiais avançados para separação de água. Adam Weber disse: “Essas interações para apoiar a indústria e a academia em materiais de separação de água avançados com as capacidades dos Laboratórios Nacionais são exatamente o motivo pelo qual o HydroGEN foi criado – para que possamos mover a agulha na tecnologia de produção de hidrogênio limpa.” Diretor de Programa do Laboratório de Tecnologias de Células Combustíveis e Diretor Adjunto da HydroGEN.

Thomas e o autor principal Guosong Zeng, um pesquisador de pós-doutorado no Departamento de Ciências Químicas do Laboratório de Berkeley, suspeitaram que o GaN poderia desempenhar um papel no extraordinário potencial do dispositivo para a eficiência e estabilidade da produção de hidrogênio.

Para descobrir, Zeng conduziu um experimento microscópico de força atômica transmissora de luz no laboratório de Toma para testar como os cátodos ópticos de gálio podiam converter com eficiência fótons absorvidos em elétrons e, em seguida, recrutar esses elétrons livres para dividir a água em hidrogênio, antes que o material começasse a se degradar e se tornar menos. Estável e eficiente.

Eles esperavam ver uma diminuição acentuada na eficiência e estabilidade de absorção de fótons após apenas algumas horas. Para sua surpresa, Zeng disse, eles notaram uma melhora de 2 a 3 vezes na corrente de luz do material vindo de pequenos lados ao longo da “parede lateral” dos grãos de gálio. Ainda mais confuso, Zeng disse, o material aumentou sua eficiência com o tempo, embora a superfície geral do material não tenha mudado muito. “Em outras palavras, em vez dos materiais piorarem, os materiais ficarem melhores”, disse ele.

Para reunir mais pistas, os pesquisadores recrutaram a Microscopia Eletrônica de Transmissão de Varredura (STEM) no Centro Nacional de Microscopia Eletrônica do Laboratório de Berkeley. Fundição Molecular, E espectroscopia de fótons de raios-X dependente do ângulo (XPS).

Esses experimentos revelaram que uma camada de 1 nanômetro misturada com gálio, nitrogênio e oxigênio – ou oxinitreto de gálio – se formou ao longo de algumas das paredes laterais. Ocorreu uma reação química, disse Touma, acrescentando “sítios catalíticos ativos para reações de produção de hidrogênio”.

Simulações da teoria do funcional da densidade (DFT) conduzidas pelos co-autores Tadashi Ojitsu e Tuan Anh Fam no LLNL confirmaram suas observações. “Ao calcular a mudança na distribuição das espécies químicas em certas partes da superfície do material, conseguimos encontrar uma estrutura de superfície associada à evolução do oxinitreto de gálio como um local de reação para a evolução do hidrogênio”, disse Ojitsu. “Esperamos que nossos resultados e nossa abordagem – uma colaboração de teoria e experimentos fortemente integrados habilitados pelo consórcio HydroGEN – sejam usados ​​para melhorar ainda mais as tecnologias de produção de hidrogênio renovável.”

“Trabalhamos neste material há mais de 10 anos – sabemos que é estável e eficaz. Mas esta colaboração ajudou a definir os mecanismos básicos para torná-lo mais robusto e eficiente em vez de degradação. Os resultados deste trabalho nos ajudarão construir dispositivos de fotossíntese artificial mais eficientes “, acrescentou Mai. E a um custo menor.”

Olhando para o futuro, Touma disse que ela e sua equipe gostariam de testar o cátodo fotográfico de Si / GaN em uma célula fotoeletroquímica que divide a água, e que Zeng testará materiais semelhantes para obter uma melhor compreensão de como os nitretos contribuem para a estabilidade na fotossíntese artificial dispositivos. – algo que eles nunca pensaram que seria possível.

“Isso foi bastante surpreendente”, disse Zeng. “Não fazia sentido – mas os cálculos DFT de Pham nos deram a explicação de que precisávamos para validar nossas observações. Nossos resultados nos ajudarão a projetar melhores dispositivos fotossintéticos artificiais.”

“Esta foi uma rede de colaboração sem precedentes entre os Laboratórios Nacionais e uma universidade de pesquisa”, disse Touma. “Reunimos a HydroGEN Federation – nosso trabalho demonstra como a abordagem da equipe do National Labs pode ajudar a resolver os principais problemas que afetam o mundo inteiro.”