Penyetelan permukaan elektroda untuk mengoptimalkan produksi bahan bakar surya
Green Tech

Penyetelan permukaan elektroda untuk mengoptimalkan produksi bahan bakar surya


Melalui penggabungan yang erat antara eksperimen dan teori, para ilmuwan menunjukkan pada tingkat atom bagaimana perubahan dalam komposisi permukaan fotoelektroda memainkan peran penting dalam kinerja fotoelektrokimia. Kredit: Universitas Chicago

Para ilmuwan telah menunjukkan bahwa memodifikasi lapisan atom paling atas pada permukaan elektroda dapat berdampak luar biasa pada aktivitas pemisahan air matahari. Seperti yang mereka laporkan Energi Alam pada 18 Februari, elektroda bismuth vanadate dengan lebih banyak bismut di permukaan (relatif terhadap vanadium) menghasilkan arus listrik dalam jumlah yang lebih tinggi saat mereka menyerap energi dari sinar matahari. Arus foto ini mendorong reaksi kimia yang memisahkan air menjadi oksigen dan hidrogen. Hidrogen dapat disimpan untuk digunakan nanti sebagai bahan bakar bersih. Menghasilkan air hanya jika bergabung kembali dengan oksigen untuk menghasilkan listrik dalam sel bahan bakar, hidrogen dapat membantu kita mencapai masa depan energi yang bersih dan berkelanjutan.

“Pemutusan permukaan memodifikasi energetika antarmuka sistem, atau bagaimana lapisan atas berinteraksi dengan sebagian besar,” kata rekan penulis Mingzhao Liu, seorang ilmuwan staf di Kelompok Sains dan Katalisis Antarmuka dari Pusat Fungsional Nanomaterials (CFN), Kantor Fasilitas Pengguna Sains Departemen Energi AS (DOE) di Brookhaven National Laboratory. “Permukaan yang diakhiri dengan bismut menunjukkan arus foto yang 50 persen lebih tinggi dari permukaan yang diakhiri dengan vanadium.”

“Mempelajari efek modifikasi permukaan dengan pemahaman tingkat atom tentang asal-usulnya sangat menantang, dan memerlukan penyelidikan eksperimental dan teoretis yang terintegrasi erat,” kata rekan penulis Giulia Galli dari University of Chicago dan DOE’s Argonne National Laboratory.

“Ini juga membutuhkan persiapan sampel berkualitas tinggi dengan permukaan yang terdefinisi dengan baik dan metode untuk menyelidiki permukaan secara independen dari sebagian besar,” tambah rekan penulis Kyoung-Shin Choi dari University of Wisconsin-Madison.

Choi dan Galli, pemimpin eksperimental dan teoritis di bidang bahan bakar surya, telah berkolaborasi selama beberapa tahun untuk merancang dan mengoptimalkan fotoelektroda untuk menghasilkan bahan bakar surya. Baru-baru ini, mereka mulai merancang strategi untuk menerangi efek komposisi permukaan elektroda, dan, sebagai pengguna CFN, mereka bekerja sama dengan Liu.

“Kombinasi keahlian dari Grup Choi di bidang fotolistokimia, Grup Galli dalam teori dan komputasi, dan CFN dalam sintesis dan karakterisasi material sangat penting untuk keberhasilan studi,” komentar Liu.

Bismuth vanadate adalah bahan elektroda yang menjanjikan untuk pemisahan air matahari karena sangat menyerap sinar matahari di berbagai panjang gelombang dan tetap relatif stabil di dalam air. Selama beberapa tahun terakhir, Liu telah menyempurnakan metode untuk menumbuhkan film tipis kristal tunggal dengan tepat dari bahan ini. Pulsa laser berenergi tinggi menghantam permukaan vanadat bismut polikristalin di dalam ruang vakum. Panas dari laser menyebabkan atom menguap dan mendarat di permukaan bahan dasar (substrat) hingga membentuk lapisan tipis.

“Untuk melihat bagaimana terminasi permukaan yang berbeda memengaruhi aktivitas fotolistokimia, Anda harus dapat menyiapkan elektroda kristal dengan orientasi dan komposisi massal yang sama,” jelas rekan penulis Chenyu Zhou, peneliti pascasarjana dari Stony Brook University yang bekerja dengan Liu. “Anda ingin membandingkan apel dengan apel.”

Saat tumbuh, bismut vanadate memiliki rasio hampir satu banding satu dari bismut ke vanadium di permukaan, dengan sedikit lebih banyak vanadium. Untuk membuat permukaan yang kaya bismut, para ilmuwan menempatkan satu sampel dalam larutan natrium hidroksida, basa kuat.

“Atom vanadium memiliki kecenderungan tinggi untuk terlepas dari permukaan dengan larutan dasar ini,” kata penulis pertama Dongho Lee, peneliti pascasarjana yang bekerja dengan Choi. “Kami mengoptimalkan konsentrasi basa dan waktu pencelupan sampel untuk menghilangkan hanya atom vanadium permukaan.”

Untuk memastikan bahwa perlakuan kimia ini mengubah komposisi lapisan permukaan atas, para ilmuwan beralih ke spektroskopi hamburan ion berenergi rendah (LEIS) dan scanning tunneling microscopy (STM) di CFN.

Penyetelan permukaan elektroda untuk mengoptimalkan produksi bahan bakar surya

Sistem analisis permukaan multiprobe di Fasilitas Proksimal Probe di Center for Functional Nanomaterials (CFN). Kredit: Laboratorium Nasional Brookhaven

Dalam LEIS, atom bermuatan listrik dengan energi rendah — dalam hal ini, helium — diarahkan ke sampel. Ketika ion helium mencapai permukaan sampel, mereka menjadi tersebar dalam pola karakteristik tergantung pada atom mana yang ada di bagian paling atas. Menurut analisis LEIS tim, permukaan yang dirawat mengandung hampir seluruhnya bismut, dengan rasio 80 banding 20 bismut ke vanadium.

“Teknik lain seperti spektroskopi fotoelektron sinar-X juga dapat memberi tahu Anda atom apa yang ada di permukaan, tetapi sinyalnya datang dari beberapa lapisan permukaan,” jelas Liu. “Itulah mengapa LEIS sangat penting dalam penelitian ini — ini memungkinkan kami untuk menyelidiki hanya lapisan pertama atom permukaan.”

Dalam STM, ujung penghantar listrik dipindai sangat dekat dengan permukaan sampel sementara arus terowongan yang mengalir antara ujung dan sampel diukur. Dengan menggabungkan pengukuran ini, para ilmuwan dapat memetakan kerapatan elektron — bagaimana elektron diatur dalam ruang — atom permukaan. Membandingkan gambar STM sebelum dan sesudah perawatan, tim menemukan perbedaan yang jelas dalam pola pengaturan atom yang sesuai dengan permukaan kaya vanadium dan bismut.

“Menggabungkan STM dan LEIS memungkinkan kami mengidentifikasi struktur atom dan elemen kimia pada lapisan permukaan paling atas dari bahan fotoelektroda ini,” kata rekan penulis Xiao Tong, staf ilmuwan di CFN Interface Science and Catalysis Group dan manajer permukaan multiprobe sistem analisis yang digunakan dalam percobaan. “Eksperimen ini mendemonstrasikan kekuatan sistem ini untuk menjelajahi hubungan properti struktur yang didominasi permukaan dalam aplikasi penelitian fundamental.”

Gambar STM simulasi berdasarkan model struktur permukaan yang diturunkan dari kalkulasi prinsip pertama (yang didasarkan pada hukum dasar fisika) sangat cocok dengan hasil eksperimen.

“Perhitungan prinsip pertama kami memberikan banyak informasi, termasuk sifat elektronik permukaan dan posisi atom yang tepat,” kata rekan penulis dan rekan postdoctoral Galli Group, Wennie Wang. “Informasi ini sangat penting untuk menafsirkan hasil eksperimen.”

Setelah membuktikan bahwa perlakuan kimia berhasil mengubah lapisan pertama atom, tim membandingkan perilaku elektrokimia yang diinduksi cahaya dari sampel yang diberi perlakuan dan yang tidak diberi perlakuan.

“Hasil percobaan dan komputasi kami menunjukkan bahwa permukaan yang kaya bismut menghasilkan energi permukaan yang lebih baik dan meningkatkan sifat fotoelektrokimia untuk pemisahan air,” kata Choi. “Selain itu, permukaan ini mendorong photovoltage ke nilai yang lebih tinggi.”

Seringkali, partikel cahaya (foton) tidak memberikan energi yang cukup untuk pemisahan air, sehingga tegangan eksternal diperlukan untuk membantu proses kimiawi. Dari perspektif efisiensi energi, Anda ingin menggunakan listrik tambahan sesedikit mungkin.

“Ketika bismuth vanadate menyerap cahaya, ia menghasilkan elektron dan kekosongan elektron yang disebut lubang,” kata Liu. “Kedua pembawa muatan ini perlu memiliki energi yang cukup untuk melakukan kimia yang diperlukan untuk reaksi pemisahan air: lubang untuk mengoksidasi air menjadi gas oksigen, dan elektron untuk mereduksi air menjadi gas hidrogen. Sementara lubang memiliki energi lebih dari cukup, elektron tidak. Apa yang kami temukan adalah bahwa permukaan yang diakhiri dengan bismut mengangkat elektron ke energi yang lebih tinggi, membuat reaksi lebih mudah. ​​”

Karena lubang dapat dengan mudah bergabung kembali dengan elektron alih-alih ditransfer ke air, tim melakukan eksperimen tambahan untuk memahami efek langsung penghentian permukaan pada sifat fotoelektrokimia. Mereka mengukur arus foto kedua sampel untuk oksidasi sulfit. Sulfit, senyawa belerang dan oksigen, adalah “pemulung lubang”, yang berarti ia dengan cepat menerima lubang sebelum sempat bergabung kembali dengan elektron. Dalam eksperimen ini, permukaan yang diakhiri dengan bismut juga meningkatkan jumlah arus foto yang dihasilkan.

“Permukaan elektroda harus melakukan kimia ini secepat mungkin,” kata Liu. “Selanjutnya, kita akan mengeksplorasi bagaimana ko-katalis diterapkan di atas permukaan yang kaya bismut dapat membantu mempercepat pengiriman lubang ke air.”


Mendorong pemisahan air untuk menghasilkan bahan bakar kimia


Informasi lebih lanjut:
“Dampak Komposisi Permukaan pada Energetika Antarmuka dan Sifat Fotoelektrokimia BiVO4” Energi Alam (2021). DOI: 10.1038 / s41560-021-00777-x, www.nature.com/articles/s41560-021-00777-x

Disediakan oleh Brookhaven National Laboratory

Kutipan: Penyetelan permukaan elektroda untuk mengoptimalkan produksi bahan bakar surya (2021, 18 Februari) diambil pada 18 Februari 2021 dari https://techxplore.com/news/2021-02-tuning-electrode-surfaces-optimize-solar.html

Dokumen ini memiliki hak cipta. Selain dari transaksi yang adil untuk tujuan studi atau penelitian pribadi, tidak ada bagian yang boleh direproduksi tanpa izin tertulis. Konten disediakan untuk tujuan informasi saja.


Halaman Ini Di Persembahkan Oleh : Lagutogel