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运输属性

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‘Champion’纳米结构可以改善太阳能水分裂细胞

15 Jul 2013 Isabelledumé.
TEM技术

瑞士和以色列的研究人员成功地制造了最有效的金属氧化物光电极,以用于光电化学电池(PEC)–在一个名为的过程中使用阳光产生氢的装置“water splitting”。涉及准确地表征PECS的氧化铁纳米结构的新型壮举可以帮助未来更高效的太阳能电池。

太阳能分裂,其中水分离成氧气和氢气使用阳光,可以是一种清洁和可再生的方式来产生能量。研究人员正忙于寻找用于此过程的有效光电极材料。一种这样的材料是丙矿石(锈蚀)。铁是便宜的丰富,哈内矿石的理论太阳能 - 氢转换效率为14–17%。然而,目前还不清楚这种材料中的缺陷如何影响其将太阳能转化为氢燃料的能力,以及为什么一些氧气电极看起来比其他材料更有效。

努力回答这些问题,一个由Ecole Polytechnique F的Michael Graetzel领导的团队édéRALE DE LAUSANNE和AVNER ROTHSCHILD的以色列理工学院决定调查结构如何与血液中单纳米结构水平的性能相关。在一个个人,可以有厘米尺寸的水分裂电极 数十亿个单独的纳米结构解释了团队成员斯科特沃伦。然而,直到现在,研究人员通常研究了这些纳米结构的结构和性质,并且被忽略的个体结构。“我们已经表明,单个电极中的各个纳米结构之间存在重要差异–确定纳米结构是否为水分分裂或完全不活动的差异,” says Warren.

水分裂新的性能记录

通过了解这些差异,该团队随后开发了合成技术,使其使其成为水分裂的最有效的哈米热石纳米结构。研究人员使用了这些“champion”纳米结构制造光电子能够产生约4的光电流 mA cm–2。这是哈里特酸盐达到的最高光电流,实际上是任何金属氧化物光电码,以及水分分裂的新性能记录。

“我们的方法涉及看一个单一的纳米结构并确定其结构是独特的,” explains Warren. “然后,我们测量电流如何移动通过该单个纳米结构,有时会发现无电流通过。这是因为我们在我们的实验室开发的传输 - 电子显微镜技术(TEM)中识别的结构缺陷[见图]。然后,我们可以开始了解结构对当前运输影响的哪些方面。这是过去研究人员无法访问的信息。”

类似于最好的表演冠军太阳能电池,瑞士人–以色列团队表明,一些纳米结构在水分分裂时具有良好,其他纳米结构较少。本研究中鉴定的纳米结构的区别特征在于纳米结构内的所有丙酸盐晶体在相同方向上取向–允许电子通过材料快速行进的东西。

这些研究可以帮助制造更好的电池,太阳能和燃料电池,虽然仍有很大的工作要做。“虽然我们看起来比任何其他等效且稳定的材料表现更好,但我们仍然需要提高其性能,” he says. “继续以这种方式表征血矿石的纳米结构将有助于我们识别缺陷和其他瓶颈阻碍了其太阳能分裂效率。”

该研究发表在 自然材料.

版权©2021由IOP Publishing Ltd和个人贡献者