在應(yīng)對氣候變化的斗爭中，科學(xué)家們一直在尋找用無碳替代品(例如氫燃料)代替化石燃料的方法。一種稱為光電化學(xué)電池(PEC)的設(shè)備具有通過人工光合作用生產(chǎn)氫燃料的潛力，這是一種新興的可再生能源技術(shù)，利用陽光中的能量來驅(qū)動化學(xué)反應(yīng)，例如將水分解為氫和氧。

PEC成功的關(guān)鍵不僅在于其光電極與光反應(yīng)產(chǎn)生氫的能力，還包括氧。很少有材料能做到這一點，根據(jù)理論，稱為釩酸鉍(BiVO 4)的無機材料是不錯的選擇。

但是這項技術(shù)還很年輕，該領(lǐng)域的研究人員一直在努力制造一種BiVO 4光電極，使其在PEC器件中發(fā)揮其潛力。如今，正如《小型》雜志所報道的那樣，由能源部勞倫斯·伯克利國家實驗室(伯克利實驗室)和美國能源部能源創(chuàng)新中心人工光合作用聯(lián)合中心(JCAP)的科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊獲得了重要的新見解。進入納米級(十億分之一米)可能發(fā)生的事情，從而使BiVO 4退縮。

“當(dāng)您制作一種材料，例如釩酸鉍之類的無機材料時，您可以用肉眼觀察它就認為該材料在整個過程中都是均勻且均勻的，”資深作者Francesca Toma說。伯克利實驗室化學(xué)科學(xué)部的JCAP。“但是當(dāng)您看到納米級材料的細節(jié)時，您突然認為均勻的實際上是異質(zhì)的，具有不同的性質(zhì)和化學(xué)組成的集合。如果您想提高光電極材料的效率，您需要了解更多關(guān)于納米級正在發(fā)生的事情。”

X射線和模擬使清晰的圖像成為焦點

在實驗室指導(dǎo)研究與開發(fā)計劃支持的先前研究中，托馬及其主要作者Johanna Eichhorn在伯克利實驗室JCAP實驗室使用原子力顯微鏡開發(fā)了一種特殊技術(shù)，以捕獲納米級釩酸鉍薄膜的圖像，從而了解了材料的特性會影響其在人工光合作用設(shè)備中的性能。(Eichhorn，目前在德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)的Walter Schottky研究所工作，當(dāng)時是伯克利實驗室化學(xué)科學(xué)系的研究員。)

當(dāng)前的研究是在這項開創(chuàng)性工作的基礎(chǔ)上，通過使用伯克利實驗室先進光源(ALS)(als.lbl.gov/)上的掃描透射X射線顯微鏡(STXM)來繪制薄層中的變化釩酸鉍鉍(Mo-BiVO 4)制成的薄膜半導(dǎo)體材料。

研究人員使用釩酸鉍作為光電極的例子，因為該材料可以吸收太陽光譜中可見光范圍內(nèi)的光，并且當(dāng)與催化劑結(jié)合使用時，其物理性質(zhì)使其可以在水分解反應(yīng)中產(chǎn)生氧氣。托馬解釋說，釩酸鉍是能做到這一點的少數(shù)材料之一，在這種情況下，向BiVO 4中添加少量鉬以某種方式改善了它的性能。

Francesca Toma(右)和Johanna Eichhorn在伯克利實驗室的JCAP實驗室使用原子力顯微鏡開發(fā)了一種特殊技術(shù)，以捕獲納米級釩酸鉍薄膜的圖像，以了解材料的特性如何影響其在人造光合作用設(shè)備中的性能。圖片提供：Marilyn Sargent /伯克利實驗室

當(dāng)水分解成H2和O2時，需要形成氫-氫和氧-氧鍵。但是，如果水分解的任何步驟不同步，則會發(fā)生不需要的反應(yīng)，這可能導(dǎo)致腐蝕。Toma解釋說：“而且，如果您想將一種材料放大成一種商用的水分解裝置，沒有人會想要降解的東西。因此，我們想開發(fā)一種技術(shù)，以繪制出納米級哪個區(qū)域最適合制造氧氣。” 。

與ALS研??究人員科學(xué)家David Shapiro一起工作時，Toma和她的團隊使用STXM對Mo-BiVO 4薄膜中的晶粒進行了高分辨率的納米級測量，因為該材料響應(yīng)于光和電解質(zhì)引發(fā)的水分解反應(yīng)而降解。

夏皮羅說：“材料中納米級的化學(xué)異質(zhì)性通常會導(dǎo)致有趣和有用的特性，而且很少有顯微鏡技術(shù)能夠探測這種級別材料的分子結(jié)構(gòu)。” “高級光源處的STXM儀器是非常靈敏的探針，可以在高空間分辨率下無損地量化這種異質(zhì)性，因此可以對這些特性有更深入的了解。”

Molecular Foundry臨時部門主管David Prendergast和Foundry的前博士后研究員Sebastian Reyes-Lillo通過開發(fā)計算工具來分析每個分子的光譜“指紋” ，幫助團隊了解Mo-BiVO 4對光的反應(yīng)。Reyes-Lillo目前是智利安德烈斯貝洛大學(xué)的教授，也是Molecular Foundry的用戶。分子鑄造廠是納米級科學(xué)研究中心的國家用戶設(shè)施。

Toma說：“ Prendergast的技術(shù)非常強大。” “通常，當(dāng)您擁有由不同原子構(gòu)成的復(fù)雜的異質(zhì)材料時，所獲得的實驗數(shù)據(jù)并不容易理解。這種方法可以告訴您如何解釋這些數(shù)據(jù)。而且，如果我們對數(shù)據(jù)有更好的了解，我們可以制定更好的策略使Mo-BiVO 4光電極在水分解過程中不易腐蝕。”

Reyes-Lillo補充說，Toma對這項技術(shù)的使用以及JCAP的工作使人們對Mo-BiVO 4有了更深入的了解，否則這是不可能的。“該方法揭示了材料局部電子結(jié)構(gòu)的特定元素化學(xué)指紋，使其特別適合于研究納米尺度的現(xiàn)象。我們的研究代表了朝著提高太陽能燃料技術(shù)用BiVO 4半導(dǎo)體材料性能的方向邁出的一步， “ 他說。

下一步

研究人員下一步計劃通過在材料運行時拍攝STXM圖像來進一步開發(fā)該技術(shù)，以便他們能夠了解材料如何在PEC模型系統(tǒng)中作為光電極發(fā)生化學(xué)變化。

“我為這項工作感到非常自豪。我們需要找到化石燃料的替代解決方案，我們需要可再生能源替代。即使這項技術(shù)明天還沒有準(zhǔn)備好投放市場，我們的技術(shù)以及為用戶提供的功能強大的儀器在Advanced Light Source和Molecular Foundry上，它將為可再生能源技術(shù)開辟新途徑以發(fā)揮作用。”