SI/GAN设备可以帮助加速氢燃料电池的商业化

大约三年前密歇根大学的研究人员确定了一种新的人工光合作用装置，该设备由硅和硝酸盐（SI/GAN）组成。

该设备使用太阳能发光为燃料电池生产无碳氢，其稳定性和效率是某些以前技术的两倍。

现在，与密歇根大学和劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）联合，来自劳伦斯·伯克利国家实验室能源部（DOE）的（伯克利实验室）在SI/GAN材料中揭示了意外的，自我增强的特征，这有助于其在将水和光转化为无碳氢中高度稳定，高效的性能。

研究人员的发现，发表在自然材料亚博网站下载杂志，可以从根本上加快氢燃料电池和人工光合作用技术的商业化。

“我们的发现是真正的游戏规则改变者该研究的高级作者弗朗西斯卡·托马（Francesca Toma）说，他是美国能源部劳伦斯·伯克利国家实验室（Berkeley Lab）的化学科学系的工作人员科学家。亚博老虎机网登录

亚博网站下载太阳能燃料系统中的材料通常会降解，结果较不稳定，从而以效率较低的方式产生氢。

“但是我们在Si/Gan中发现了一种不寻常的财产，以某种方式使其变得更加高效和稳定。我从未见过如此稳定，”托马补充说。

较早的人造光合作用材料是缺乏吸光效率的持久材料，或者是缺乏耐用性的特亚博网站下载殊光吸收器。

另一方面，硝酸甘露和硅是廉价且丰富的材料，在日常电子设备中被广泛用作半导体，例如太阳能电池和发光二极管（LED）。亚博网站下载研究和密歇根大学电气和计算机工程教授。

Mi教授10年前设计了Si/Gan人工光合作用设备。

当MI教授开发的SI/GAN设备达到创纪录的3％太阳能到氢效率时，他推测这些标准材料如何在独特的人工光合作用设备中表现出色。亚博网站下载这使他寻求托马的帮助。

氢：采用团队科学方法进行太阳能燃料亚博老虎机网登录

MI教授曾了解了Toma在复杂显微镜方法方面的专业知识，该方法是通过氢探测人造光合作用材料的纳米级（即十亿分之一）的特征。亚博网站下载

氢是由DOE的氢气和燃料电池技术办公室资助的五个国家实验室财团，由国家可再生能源实验室领导，以促进工业，学术界和国家实验室之间的合作，以开发下一代水分分类材料。亚博网站下载

支持行业和学术界在先进的水分材料方面与国家实验室能力的相互作用恰恰是为什么形成氢的原因，因此我们可以将针头移动到清洁氢生产技术上亚博网站下载。

亚当·韦伯（Adam Weber），氢气共同主任

韦伯还是伯克利实验室的氢和燃料电池技术实验室计划经理。

伯克利实验室化学科学师的研究负责人兼博士后学者托马（Toma）和朱兴（Guosong Zeng）认为，对于氢生产的稳定性和效率，GAN可以在该设备的独特潜力中发挥关键作用。亚博老虎机网登录

To find this out, Zeng performed a photoconductive atomic force microscopy experiment at Toma’s laboratory to determine how GaN photocathodes can efficiently transform the absorbed photons into electrons, and can subsequently recruit those free electrons to convert water into hydrogen, before the material begins to decompose and turns out to be less efficient and stable.

研究人员预计，仅几个小时后，材料的光子吸收稳定性和效率急剧下降。

令他们惊讶的是，他们注意到材料的光电流中有两个三个数量级的增强。Zeng补充说，这种光电流是从沿着谷物谷物的“侧壁”的小面中出现的。

更令人困惑的是，材料的效率随着时间的推移而提高，尽管总体材料表面没有发生很大变化，Zeng补充说。

“换句话说，材料没有变得更糟，而是变得更好，” Zeng进一步补充道。

该团队通过使用角度依赖性X射线光子光谱（XP）以及安装在伯克利实验室的国家电子显微镜中心安装的扫描透射电子显微镜（STEM）来收集更多线索。

这些实验表明，与氧，凝胶和氮或氧硝基乙二醇相结合的1 nm层沿着一些侧壁发展。

发生了化学反应，增加了活性催化位点用于氢生产反应，”通知托马。

该研究合着llnl的Tadashi Ogitsu和Tuan Anh Pham进行了密度功能理论（DFT）模拟，以验证其观察结果。

通过计算材料表面特定部位的化学物种分布的变化，我们成功地找到了与羟基硝酸盐作为氢进化反应位点相关的表面结构。

tadashi ogitsu，，，，研究合着者，劳伦斯·利弗莫尔国家实验室

奥吉图斯继续，“我们希望我们的发现和方法（由氢联盟实现的紧密整合的理论实例合作）将用于进一步改善可再生氢生产技术。”

我们已经从事这种材料已经十多年了 - 我们知道它稳定而高效。但是，这种合作有助于确定为什么它变得更加稳健而有效而不是降解背后的基本机制。这项工作的发现将帮助我们以较低的成本构建更有效的人造光合作用设备。

Zetian MI，密歇根大学的研究合着者兼电气和计算机工程教授

展望未来，托马（Toma）和她的研究团队更喜欢测试水分散布的光电化学水分光电油化学细胞中的Si/gan光电电极。

他们补充说，Zeng将测试类似的材料，以更深入地了解硝酸盐如何在人工光合作用设备的亚博网站下载稳定性中发挥作用，这是他们从未认为是可行的。

“这完全令人惊讶。T没有意义，但是Pham的DFT计算为我们提供了验证观察所需的解释。我们的发现将帮助我们设计更好的人造光合作用设备，” Zeng补充说。

“这是国家实验室与研究大学之间的空前合作网络。氢联盟将我们召集在一起 - 我们的工作展示了国家实验室的团队科学方法如何帮助解决影响整个世界的大问题亚博老虎机网登录，”托马总结道。

该研究的合着者包括伯克利实验室的Guiji Liu，Jason Cooper和Chengyu Song，以及密歇根大学的Srinivas Vanka。分子铸造厂是伯克利实验室的科学用户设施办公室。亚博老虎机网登录

这项研究是由氢晚期水分分割材料财团资助的，该联盟是能源效率办公室和DOE可再生能源的能源材料网络的一部分。亚博网站下载

期刊参考：

Zeng，G。，等。（2021）开发光电化学上自我改善的Si/gan光导电，以提高耐用性H₂生产。自然材料。亚博网站下载doi.org/10.1038/S41563-021-00965-W。

来源：https://newscenter.lbl.gov/