Izquierda:Imágenes de microscopía de fuerza atómica de películas delgadas de Mo-BiVO4 antes de la degradación (arriba a la izquierda) y después de la degradación (abajo a la izquierda); La corrosión hace que los granos del material se desconecten entre sí. Derecha:mapas de absorción de rayos X de películas delgadas de Mo-BiVO4 antes de la degradación (arriba a la derecha) y después de la degradación (abajo a la derecha); las áreas oscuras corresponden a áreas con alta concentración de Mo-BiVO4, mientras que las áreas brillantes indican regiones con baja concentración de Mo-BiVO4. Crédito:Berkeley Lab
En la lucha contra el cambio climático, Los científicos han buscado formas de reemplazar los combustibles fósiles con alternativas libres de carbono como el hidrógeno.
Un dispositivo conocido como celda química fotoeléctrica (PEC) tiene el potencial de producir combustible de hidrógeno a través de la fotosíntesis artificial. una tecnología de energía renovable emergente que utiliza la energía de la luz solar para impulsar reacciones químicas como la división del agua en hidrógeno y oxígeno.
La clave del éxito de un PEC radica no solo en qué tan bien reacciona su fotoelectrodo con la luz para producir hidrógeno, pero también oxígeno. Pocos materiales pueden hacer esto bien, y según la teoría, un material inorgánico llamado vanadato de bismuto (BiVO 4 ) es un buen candidato.
Sin embargo, esta tecnología aún es joven, e investigadores en el campo han luchado para hacer un BiVO 4 fotoelectrodo que está a la altura de su potencial en un dispositivo PEC. Ahora, como se informa en la revista Pequeña , un equipo de investigación dirigido por científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab) y el Centro Conjunto para la Fotosíntesis Artificial (JCAP), un centro de innovación energética del DOE, han obtenido una nueva información importante sobre lo que podría estar sucediendo en la nanoescala (mil millonésimas de metro) para mantener BiVO 4 espalda.
"Cuando haces un material, como un material inorgánico como el vanadato de bismuto, podrías asumir, con solo mirarlo a simple vista, que el material sea homogéneo y uniforme en todas partes, "dijo la autora principal Francesca Toma, científico del personal de JCAP en la División de Ciencias Químicas del Laboratorio de Berkeley. "Pero cuando puedes ver detalles en un material a nanoescala, de repente, lo que asumió que era homogéneo es en realidad heterogéneo, con un conjunto de diferentes propiedades y composiciones químicas. Y si desea mejorar la eficiencia de un material de fotoelectrodo, necesitas saber más sobre lo que está sucediendo a nanoescala ".
Los rayos X y las simulaciones enfocan una imagen más clara
En un estudio previo apoyado por el programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio, Toma y la autora principal, Johanna Eichhorn, desarrollaron una técnica especial utilizando un microscopio de fuerza atómica en el laboratorio JCAP de Berkeley Lab para capturar imágenes de vanadato de bismuto de película delgada a nanoescala para comprender cómo las propiedades de un material pueden afectar su desempeño en un dispositivo de fotosíntesis artificial. (Eichhorn, quien se encuentra actualmente en el Instituto Walter Schottky de la Universidad Técnica de Munich en Alemania era investigador en la División de Ciencias Químicas del Laboratorio de Berkeley en el momento del estudio).
El estudio actual se basa en ese trabajo pionero mediante el uso de un microscopio de rayos X de transmisión de barrido (STXM) en la fuente de luz avanzada (ALS) de Berkeley Lab (als.lbl.gov/), una instalación de usuario de sincrotrón, para trazar los cambios en un material semiconductor de película delgada hecho de vanadato de bismuto de molibdeno (Mo-BiVO 4 ).
Los investigadores utilizaron vanadato de bismuto como ejemplo de un fotoelectrodo porque el material puede absorber luz en el rango visible del espectro solar. y cuando se combina con un catalizador, sus propiedades físicas le permiten producir oxígeno en la reacción de separación del agua. El vanadato de bismuto es uno de los pocos materiales que puede hacer esto, y en este caso, la adición de una pequeña cantidad de molibdeno a BiVO 4 de alguna manera mejora su rendimiento, Toma explicó.
Francesca Toma (derecha) y Johanna Eichhorn desarrollaron una técnica especial utilizando un microscopio de fuerza atómica en el laboratorio JCAP de Berkeley Lab para capturar imágenes de vanadato de bismuto de película delgada a nanoescala para comprender cómo las propiedades de un material pueden afectar su desempeño en un dispositivo de fotosíntesis artificial. Crédito:Marilyn Sargent / Berkeley Lab
Cuando el agua se divide en H2 y O2, Es necesario formar enlaces hidrógeno-hidrógeno y oxígeno-oxígeno. Pero si algún paso en la división del agua no está sincronizado, ocurrirán reacciones no deseadas, lo que podría provocar corrosión. "Y si desea convertir un material en un dispositivo comercial de división de agua, nadie quiere algo que se degrade. Así que queríamos desarrollar una técnica que mapee qué regiones a nanoescala son las mejores para producir oxígeno, "Toma explicó.
Trabajando con el científico del personal de ALS David Shapiro, Toma y su equipo utilizaron STXM para tomar medidas a nanoescala de alta resolución de granos en una película delgada de Mo-BiVO 4 a medida que el material se degrada en respuesta a la reacción de separación del agua provocada por la luz y el electrolito.
"La heterogeneidad química a nanoescala en un material a menudo puede conducir a propiedades interesantes y útiles, y pocas técnicas de microscopía pueden sondear la estructura molecular de un material a esta escala, ", Dijo Shapiro." Los instrumentos STXM en la fuente de luz avanzada son sondas muy sensibles que pueden cuantificar de forma no destructiva esta heterogeneidad a alta resolución espacial y, por lo tanto, pueden proporcionar una comprensión más profunda de estas propiedades ".
David Prendergast, director de división interino de la Fundición Molecular, y Sebastian Reyes-Lillo, un ex investigador postdoctoral en la Fundición, ayudó al equipo a comprender cómo Mo-BiVO 4 responde a la luz desarrollando herramientas computacionales para analizar la "huella digital" espectral de cada molécula. Reyes-Lillo es actualmente profesora de la Universidad Andrés Bello de Chile y usuaria de Fundición Molecular. La Fundición Molecular es una instalación de usuario nacional del Centro de Investigación Científica a Nanoescala.
"La técnica de Prendergast es realmente poderosa, "Toma dijo." A menudo, cuando tienes materiales heterogéneos complejos hechos de diferentes átomos, los datos experimentales que obtiene no son fáciles de entender. Este enfoque le dice cómo interpretar esos datos. Y si comprendemos mejor los datos, podemos crear mejores estrategias para hacer Mo-BiVO 4 fotoelectrodos menos vulnerables a la corrosión durante la división del agua ".
Reyes-Lillo agregó que el uso de esta técnica por parte de Toma y el trabajo en JCAP permitió una comprensión más profunda de Mo-BiVO 4 de otro modo eso no sería posible. "El enfoque revela huellas dactilares químicas específicas de elementos de la estructura electrónica local de un material, haciéndolo especialmente adecuado para el estudio de fenómenos a nanoescala. Nuestro estudio representa un paso hacia la mejora del rendimiento de BiVO semiconductores 4 -materiales basados en tecnologías de combustibles solares, " él dijo.
Próximos pasos
A continuación, los investigadores planean desarrollar aún más la técnica tomando imágenes STXM mientras el material está funcionando para que puedan comprender cómo el material cambia químicamente como un fotoelectrodo en un sistema modelo PEC.
"Estoy muy orgulloso de este trabajo. Necesitamos encontrar soluciones alternativas a los combustibles fósiles, y necesitamos alternativas renovables. Incluso si esta tecnología no está lista para el mercado mañana, nuestra técnica, junto con los poderosos instrumentos disponibles para los usuarios en Advanced Light Source y Molecular Foundry, abrirá nuevas rutas para que las tecnologías de energía renovable marquen la diferencia ".
