A sinistra:immagini al microscopio a forza atomica di film sottili di Mo-BiVO4 prima della degradazione (in alto a sinistra) e dopo la degradazione (in basso a sinistra); la corrosione fa sì che i grani del materiale si disconnettono l'uno dall'altro. A destra:mappe di assorbimento dei raggi X di film sottili di Mo-BiVO4 prima della degradazione (in alto a destra) e dopo la degradazione (in basso a destra); le aree scure corrispondono ad aree ad alta concentrazione di Mo-BiVO4, mentre le aree luminose indicano regioni a bassa concentrazione di Mo-BiVO4. Credito:Berkeley Lab
Nella lotta ai cambiamenti climatici, gli scienziati hanno cercato modi per sostituire i combustibili fossili con alternative prive di carbonio come il combustibile a idrogeno.
Un dispositivo noto come cella chimica fotoelettrica (PEC) ha il potenziale per produrre combustibile a idrogeno attraverso la fotosintesi artificiale, una tecnologia emergente di energia rinnovabile che utilizza l'energia della luce solare per guidare reazioni chimiche come la scissione dell'acqua in idrogeno e ossigeno.
La chiave del successo di un PEC risiede non solo nel modo in cui il suo fotoelettrodo reagisce con la luce per produrre idrogeno, ma anche ossigeno. Pochi materiali possono farlo bene, e secondo la teoria un materiale inorganico chiamato vanadato di bismuto (BiVO 4 ) è un buon candidato.
Eppure questa tecnologia è ancora giovane, e i ricercatori del settore hanno lottato per realizzare un BiVO 4 fotoelettrodo all'altezza delle sue potenzialità in un dispositivo PEC. Ora, come riportato sulla rivista Piccolo , un team di ricerca guidato da scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'energia e del Joint Center for Artificial Photosintesi (JCAP), un DOE Energy Innovation Hub, hanno acquisito nuove importanti informazioni su ciò che potrebbe accadere su scala nanometrica (miliardesimi di metro) per contenere BiVO 4 Indietro.
"Quando fai un materiale, come un materiale inorganico come il vanadato di bismuto, potresti supporre, solo guardandolo ad occhio nudo, che il materiale sia omogeneo e uniforme in tutto, " ha detto l'autore senior Francesca Toma, uno scienziato del personale presso JCAP nella divisione di scienze chimiche del Berkeley Lab. "Ma quando puoi vedere i dettagli in un materiale su scala nanometrica, all'improvviso ciò che presumevi fosse omogeneo è in realtà eterogeneo, con un insieme di proprietà e composizioni chimiche diverse. E se vuoi migliorare l'efficienza di un materiale fotoelettronico, devi sapere di più su ciò che sta accadendo su scala nanometrica".
I raggi X e le simulazioni mettono a fuoco un'immagine più chiara
In uno studio precedente sostenuto dal programma di ricerca e sviluppo diretto dal laboratorio, Toma e l'autrice principale Johanna Eichhorn hanno sviluppato una tecnica speciale utilizzando un microscopio a forza atomica presso il laboratorio JCAP del Berkeley Lab per catturare immagini di vanadato di bismuto a film sottile su scala nanometrica per capire come le proprietà di un materiale possono influenzare le sue prestazioni in un dispositivo di fotosintesi artificiale. (Eichhorn, che è attualmente al Walter Schottky Institute dell'Università tecnica di Monaco di Baviera in Germania era un ricercatore nella divisione di scienze chimiche del Berkeley Lab al momento dello studio.)
L'attuale studio si basa su quel lavoro pionieristico utilizzando un microscopio a raggi X a trasmissione a scansione (STXM) presso l'Advanced Light Source (ALS) del Berkeley Lab (als.lbl.gov/), una struttura per l'utente di sincrotrone, per mappare i cambiamenti in un materiale semiconduttore a film sottile fatto di molibdeno bismuto vanadato (Mo-BiVO 4 ).
I ricercatori hanno usato il vanadato di bismuto come esempio di un fotoelettrodo perché il materiale può assorbire la luce nell'intervallo visibile nello spettro solare, e quando combinato con un catalizzatore, le sue proprietà fisiche gli permettono di produrre ossigeno nella reazione di scissione dell'acqua. Il vanadato di bismuto è uno dei pochi materiali in grado di farlo, e in questo caso, l'aggiunta di una piccola quantità di molibdeno a BiVO 4 migliora in qualche modo le sue prestazioni, ha spiegato Tomà.
Francesca Toma (a destra) e Johanna Eichhorn hanno sviluppato una tecnica speciale utilizzando un microscopio a forza atomica presso il laboratorio JCAP del Berkeley Lab per catturare immagini di vanadato di bismuto a film sottile su scala nanometrica per capire come le proprietà di un materiale possono influenzare le sue prestazioni in un dispositivo di fotosintesi artificiale. Credito:Marilyn Sargent/ Berkeley Lab
Quando l'acqua viene scissa in H2 e O2, devono formarsi legami idrogeno-idrogeno e ossigeno-ossigeno. Ma se qualsiasi passaggio della scissione dell'acqua non è sincronizzato, si verificheranno reazioni indesiderate, che potrebbe causare corrosione. "E se vuoi trasformare un materiale in un dispositivo commerciale per la divisione dell'acqua, nessuno vuole qualcosa che degrada. Quindi volevamo sviluppare una tecnica che mappasse quali regioni su scala nanometrica sono le migliori per produrre ossigeno, " ha spiegato Toma.
Lavorando con lo scienziato dello staff di ALS David Shapiro, Toma e il suo team hanno utilizzato STXM per eseguire misurazioni su nanoscala ad alta risoluzione dei grani in un film sottile di Mo-BiVO 4 poiché il materiale si è degradato in risposta alla reazione di scissione dell'acqua innescata dalla luce e dall'elettrolita.
"L'eterogeneità chimica su scala nanometrica in un materiale può spesso portare a proprietà interessanti e utili, e poche tecniche di microscopia possono sondare la struttura molecolare di un materiale a questa scala, " Ha detto Shapiro. "Gli strumenti STXM presso l'Advanced Light Source sono sonde molto sensibili che possono quantificare in modo non distruttivo questa eterogeneità ad alta risoluzione spaziale e possono quindi fornire una comprensione più profonda di queste proprietà".
David Prendergast, direttore ad interim della divisione della Fonderia Molecolare, e Sebastian Reyes-Lillo, un ex ricercatore post-dottorato presso la Fonderia, ha aiutato il team a capire come Mo-BiVO 4 risponde alla luce sviluppando strumenti computazionali per analizzare l'"impronta digitale" spettrale di ogni molecola. Reyes-Lillo è attualmente professore presso l'Università Andres Bello in Cile e utilizzatore di Molecular Foundry. La Molecular Foundry è una struttura nazionale utente del Nanoscale Science Research Center.
"La tecnica di Prendergast è davvero potente, " Ha detto Toma. "Spesso quando si hanno materiali eterogenei complessi fatti di atomi diversi, i dati sperimentali che ottieni non sono facili da capire. Questo approccio ti dice come interpretare quei dati. E se abbiamo una migliore comprensione dei dati, possiamo creare strategie migliori per realizzare Mo-BiVO 4 fotoelettrodi meno vulnerabili alla corrosione durante la scissione dell'acqua."
Reyes-Lillo ha aggiunto che l'uso di questa tecnica da parte di Toma e il lavoro presso JCAP hanno consentito una comprensione più profonda di Mo-BiVO 4 che altrimenti non sarebbe possibile. "L'approccio rivela impronte chimiche specifiche dell'elemento della struttura elettronica locale di un materiale, rendendolo particolarmente adatto allo studio di fenomeni su scala nanometrica. Il nostro studio rappresenta un passo verso il miglioramento delle prestazioni dei semiconduttori BiVO 4 a base di materiali per le tecnologie del combustibile solare, " Egli ha detto.
Prossimi passi
I ricercatori hanno poi in programma di sviluppare ulteriormente la tecnica prendendo immagini STXM mentre il materiale è in funzione in modo che possano capire come il materiale cambia chimicamente come un fotoelettrodo in un sistema PEC modello.
"Sono molto orgoglioso di questo lavoro. Dobbiamo trovare soluzioni alternative ai combustibili fossili, e abbiamo bisogno di alternative rinnovabili. Anche se questa tecnologia non è pronta per il mercato domani, la nostra tecnica, insieme ai potenti strumenti a disposizione degli utenti presso l'Advanced Light Source e la Molecular Foundry, aprirà nuove strade affinché le tecnologie delle energie rinnovabili possano fare la differenza".
