為了實(shí)現(xiàn)人工光合作用，像植物一樣將陽光、水和二氧化碳轉(zhuǎn)化為燃料，研究人員不僅要識(shí)別材料以有效地進(jìn)行光電化學(xué)水分解，還要了解為什么某種材料可能起或不起作用。現(xiàn)在，勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（伯克利實(shí)驗(yàn)室）的科學(xué)家們開創(chuàng)了一種技術(shù)，該技術(shù)利用納米級(jí)成像來了解局部納米級(jí)特性如何影響材料的宏觀性能。

他們的研究"NanoscaleImagingofChargeCarrierTransportinWaterSplittingAnodes"（水分裂陽極中電荷載體傳輸?shù)募{米尺度成像）剛剛在NatureCommunications上發(fā)表。主要研究人員是伯克利實(shí)驗(yàn)室化學(xué)科學(xué)部的JohannaEichhorn和FrancescaToma。

能源創(chuàng)新中心人工光合作用聯(lián)合中心的研究員Toma說：“該技術(shù)將材料的形態(tài)與其功能相聯(lián)系，并在納米尺度上對(duì)電荷傳遞機(jī)制或電荷如何在材料內(nèi)移動(dòng)給出了深入的見解。”

人工光合作用旨在僅使用陽光、水和二氧化碳作為輸入來產(chǎn)生高能量的燃料。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是它不會(huì)與糧食庫存競(jìng)爭(zhēng)，也不會(huì)產(chǎn)生或減少溫室氣體排放。光電化學(xué)水分解系統(tǒng)需利用陽光將水分子分解成氫和氧的特殊半導(dǎo)體。

釩酸鉍已被確定為一種很有潛力的光電陽極材料，它可以在光電化學(xué)電池中提供氧化水的電荷。Eichhorn說：“這種材料是一個(gè)案例，理論上效率很好，但在實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，你實(shí)際上觀察到的效率很低。原因尚不完全清楚。”

研究人員使用光電導(dǎo)原子力顯微鏡以高的空間分辨率繪制樣品每個(gè)點(diǎn)的電流。該技術(shù)已被用于分析太陽能電池材料的局部電荷傳輸和光電性質(zhì)，但目前還不清楚在光電化學(xué)材料中納米級(jí)的電荷載流子傳輸限制。

Eichhorn和Toma與伯克利實(shí)驗(yàn)室的納米科學(xué)研究機(jī)構(gòu)MolecularFoundry公司的科學(xué)家們一起通過Foundry公司的用戶項(xiàng)目進(jìn)行這些測(cè)量。他們發(fā)現(xiàn)，材料的納米級(jí)形態(tài)在性能上存在差異。

Eichhorn：“我們發(fā)現(xiàn)，電荷的利用方式在整個(gè)樣本中并不均勻，而存在異質(zhì)性。當(dāng)我們進(jìn)行水分解時(shí)，這些性能差異可能導(dǎo)致其宏觀性能-樣品的總體輸出。”

為了理解這種特征，Toma給出了一個(gè)太陽能電池板的例子。她說：“假設(shè)該電池板的效率為22％。但是在納米尺度上，在板的每一點(diǎn)，它是否會(huì)給你22％的效率？這種技術(shù)使您可以對(duì)光電化學(xué)材料說‘是’或‘不是’。如果答案是否定的，則表示材料上的活性點(diǎn)較少。在最理想的情況下，它只會(huì)降低總效率，但如果有更復(fù)雜的過程，效率還可能會(huì)大幅降低。”

進(jìn)一步理解釩酸鉍如何起作用，也將使研究人員能夠合成新材料，從而能夠更有效地驅(qū)動(dòng)相同反應(yīng)。這項(xiàng)研究建立在Toma和其他人的研究基礎(chǔ)之上，在這項(xiàng)研究中，她能夠分析和預(yù)測(cè)決定（光）電化學(xué)材料的化學(xué)穩(wěn)定性機(jī)制。

Toma表示，這些結(jié)果使科學(xué)家們更接近于實(shí)現(xiàn)有效的人工光合作用。她還說：“現(xiàn)在我們知道如何測(cè)量這些低電導(dǎo)率材料中的局部光電流。下一步是將所有這些材料都放入液體電解質(zhì)中并完成相同的操作。我們有工具，現(xiàn)在我們知道如何解釋結(jié)果，以及如何分析它們，這是向前邁進(jìn)的重要第一步。”

本文摘自：材料科技在線