Quang hợp nhân tạo: Tiến bộ của thiết bị mới Khả năng thương mại của nhiên liệu mặt trời

Khám phá cải thiện đáng kể sự ổn định trong sản xuất ethylene và hydro thông qua quang hợp nhân tạo.

Một nhóm nghiên cứu đã phát triển một thành phần thiết bị quang hợp nhân tạo mới với độ ổn định và tuổi thọ đáng kể vì nó chuyển đổi có chọn lọc ánh sáng mặt trời và carbon dioxide thành hai nguồn nhiên liệu tái tạo đầy hứa hẹn – ethylene và hydro.

Các phát hiện của các nhà nghiên cứu, mà họ đã báo cáo gần đây trên tạp chí Nature Energy , tiết lộ cách thiết bị xuống cấp khi sử dụng, sau đó trình bày cách giảm thiểu nó. Các tác giả cũng cung cấp cái nhìn mới về cách các điện tử và hạt mang điện được gọi là “lỗ trống” góp phần vào sự suy thoái trong quang hợp nhân tạo.

Tác giả cấp cao Francesca Toma, một nhà khoa học thuộc Phòng Khoa học Hóa học Berkeley Lab của Berkeley Lab cho biết: “Bằng cách hiểu các vật liệu và thiết bị biến đổi như thế nào trong quá trình vận hành, chúng tôi có thể thiết kế các phương pháp tiếp cận bền hơn và do đó giảm thiểu chất thải.

Đối với nghiên cứu hiện tại, Toma và nhóm của cô đã thiết kế một thiết bị năng lượng mặt trời mô hình được gọi là tế bào quang điện hóa (PEC) được làm bằng đồng (I) oxit hoặc oxit cốc (Cu ₂ O), một vật liệu quang hợp nhân tạo đầy hứa hẹn.

Ôxít Cuprous từ lâu đã khiến các nhà khoa học bối rối vì độ bền của vật liệu – khả năng phản ứng cao với ánh sáng – cũng là điểm yếu của nó, vì ánh sáng khiến vật liệu phân hủy chỉ trong vòng vài phút sau khi tiếp xúc. Nhưng bất chấp tính không ổn định của nó, ôxít cuprous là một trong những vật liệu ứng cử viên tốt nhất cho quá trình quang hợp nhân tạo vì nó tương đối phải chăng và có các đặc tính thích hợp để hấp thụ ánh sáng nhìn thấy.

Để hiểu rõ hơn về cách tối ưu hóa các điều kiện làm việc cho vật liệu đầy hứa hẹn này, Toma và nhóm của cô ấy đã xem xét kỹ hơn cấu trúc tinh thể của oxit cuprous trước và sau khi sử dụng.

Các thí nghiệm bằng kính hiển vi điện tử tại Molecular Foundry đã xác nhận rằng oxit cuprous nhanh chóng bị oxy hóa hoặc ăn mòn trong vòng vài phút sau khi tiếp xúc với ánh sáng và nước. Trong nghiên cứu quang hợp nhân tạo, các nhà nghiên cứu thường sử dụng nước làm chất điện phân để khử carbon dioxide thành các hóa chất hoặc nhiên liệu tái tạo, chẳng hạn như ethylene và hydro – nhưng nước có chứa các ion hydroxide, dẫn đến sự không ổn định.

Nhưng một thí nghiệm khác, lần này sử dụng một kỹ thuật được gọi là quang phổ quang điện tử tia X áp suất môi trường xung quanh (APXPS) tại Nguồn sáng nâng cao, đã tiết lộ một manh mối bất ngờ: ôxit cuprous thậm chí còn ăn mòn nhanh hơn trong nước có chứa các ion hydroxit, là các ion mang điện tích âm bao gồm nguyên tử oxy liên kết với một nguyên tử hydro.

Toma nói: “Chúng tôi biết nó không ổn định – nhưng chúng tôi rất ngạc nhiên khi biết nó thực sự không ổn định như thế nào. “Khi chúng tôi bắt đầu nghiên cứu này, chúng tôi tự hỏi, có thể chìa khóa của một thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời tốt hơn không nằm ở vật liệu tự thân mà là ở môi trường tổng thể của phản ứng, bao gồm cả chất điện phân.”

“Điều này chứng tỏ rằng hydroxit góp phần vào sự ăn mòn. Mặt khác, chúng tôi lý luận rằng nếu bạn loại bỏ nguồn gốc của sự ăn mòn, bạn sẽ loại bỏ sự ăn mòn, ”tác giả đầu tiên Guiji Liu, một nhà khoa học của dự án LiSA thuộc Bộ phận Khoa học Hóa học của Phòng thí nghiệm Berkeley giải thích.

Khám phá manh mối bất ngờ về sự ăn mòn

Trong các thiết bị điện tử, các cặp electron-lỗ trống phân tách thành các electron và lỗ trống để tạo ra điện tích. Nhưng một khi tách ra, nếu các electron và lỗ trống không được sử dụng để tạo ra điện, chẳng hạn như trong thiết bị quang điện chuyển ánh sáng mặt trời thành điện năng hoặc để thực hiện phản ứng trong thiết bị quang hợp nhân tạo, chúng có thể phản ứng với vật liệu và làm phân hủy nó.

Trong quang hợp nhân tạo, sự tái tổ hợp này có thể ăn mòn oxit cốc nếu nó không được kiểm soát đúng cách. Từ lâu, các nhà khoa học đã giả định rằng các điện tử chỉ là nguyên nhân gây ra sự ăn mòn của oxit cuprous. Nhưng trước sự ngạc nhiên của Toma và Liu, các mô phỏng trên máy tính được thực hiện tại Trung tâm Máy tính Khoa học Nghiên cứu Năng lượng Quốc gia (NERSC) cho thấy rằng các lỗ cũng đóng một vai trò nào đó. Liu nói: “Trước khi nghiên cứu của chúng tôi, hầu hết mọi người đều cho rằng sự suy thoái do ánh sáng gây ra trong ôxít cuprous chủ yếu là do các electron, không phải lỗ trống.

Các mô phỏng cũng gợi ý về một giải pháp tiềm năng đối với tính không ổn định vốn có của oxit cuprous: PEC oxit cuprous được phủ một lớp bạc ở trên và vàng / oxit sắt bên dưới. “Sơ đồ Z” này, được lấy cảm hứng từ sự chuyển điện tử diễn ra trong quá trình quang hợp tự nhiên, sẽ tạo ra một “cái phễu” đưa các lỗ từ oxit cuprous đến “bồn rửa” vàng / oxit sắt. Hơn nữa, sự đa dạng trong vật liệu tại bề mặt phân cách sẽ ổn định hệ thống bằng cách cung cấp thêm các điện tử để tái kết hợp với các lỗ trống của ôxít cốc, Toma giải thích.

Để xác thực các mô phỏng của họ, các nhà nghiên cứu đã thiết kế một mô hình vật lý của thiết bị quang hợp nhân tạo theo sơ đồ Z tại phòng thí nghiệm LiSA của Toma tại Berkeley Lab. Trước sự hài lòng của họ, thiết bị đã tạo ra ethylene và hydro với độ chọn lọc chưa từng có – và trong hơn 24 giờ. Toma nói: “Đây là một kết quả đáng kinh ngạc.

Liu nói thêm: “Chúng tôi hy vọng rằng công việc của chúng tôi khuyến khích mọi người thiết kế các chiến lược thích ứng với các tính năng nội tại của vật liệu bán dẫn trong các thiết bị quang hợp nhân tạo.

Các nhà nghiên cứu có kế hoạch tiếp tục công việc phát triển các thiết bị sử dụng nhiên liệu mặt trời mới để sản xuất nhiên liệu lỏng bằng cách sử dụng cách tiếp cận mới của họ. Toma kết luận: “Hiểu cách vật liệu biến đổi trong khi chúng hoạt động trong một thiết bị quang hợp nhân tạo có thể cho phép sửa chữa phòng ngừa và kéo dài hoạt động,” Toma kết luận.

Tham khảo: “Điều tra và giảm thiểu cơ chế phân huỷ trong quang điện cực _{Cu 2O để khử CO 2} thành etylen” của Guiji Liu, Fan Zheng, Junrui Li, Guosong Zeng, Yifan Ye, David M. Larson, Junko Yano, Ethan J. Crumlin, Joel W. Ager, Lin-wang Wang và Francesca M. Toma, ngày 8 tháng 11 năm 2021, Năng lượng tự nhiên .
DOI: 10.1038 / s41560-021-00927-1

Các đồng tác giả khác là Fan Zheng, Junrui Li, Guosong Zeng, Yifan Ye, David Larson, Junko Yano, Ethan Crumlin, Joel Ager và Lin-wang Wang.

Liquid Sunlight Alliance là một Trung tâm Đổi mới Năng lượng DOE. Nguồn sáng nâng cao, Xưởng đúc phân tử và NERSC là những tiện ích dành cho người dùng tại Phòng thí nghiệm Berkeley.

Công việc này được hỗ trợ bởi Văn phòng Khoa học DOE.

Theo Scitechdaily