為了實現(xiàn)人工光合作用以將太陽光，水和二氧化碳轉(zhuǎn)化為燃料-正如植物一樣-研究人員不僅需要識別材料以有效地進(jìn)行光電化學(xué)水分解，還需要了解某種材料為何可能或可能行不通。現(xiàn)在，勞倫斯伯克利國家實驗室(伯克利實驗室)的科學(xué)家開創(chuàng)了一種技術(shù)，該技術(shù)利用納米級成像來了解局部納米級特性如何影響材料的宏觀性能。

他們的研究“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驗室化學(xué)科學(xué)部的JohannaEichhorn和FrancescaToma。

“這種技術(shù)將材料的形態(tài)與其功能相關(guān)聯(lián)，并提供了電荷傳輸機(jī)制的見解，或者電荷在納米尺度內(nèi)如何在材料內(nèi)部移動，”Toma說，他也是人工光合作用聯(lián)合中心的研究員，能源創(chuàng)新中心。

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)生能量密集的燃料。這種方法的優(yōu)點是它不會與糧食庫存競爭，也不會產(chǎn)生或減少溫室氣體排放。光電化學(xué)水分解系統(tǒng)需要使用太陽光將水分子分解成氫和氧的專用半導(dǎo)體。

釩酸鉍已被確定為光陽極的有希望的材料，其提供電荷以光化電化學(xué)電池中的水。“這種材料是一個案例，其中效率在理論上應(yīng)該是好的，但在實驗測試中，你實際上觀察到效率非常低，”Eichhorn說。“原因尚不完全清楚。”

研究人員使用光電導(dǎo)原子力顯微鏡以高空間分辨率繪制樣品每個點的電流。該技術(shù)已經(jīng)用于分析太陽能電池材料的局部電荷傳輸和光電性質(zhì)，但是還不知道已經(jīng)用于理解光電化學(xué)材料中納米級的電荷載流子傳輸限制。

Eichhorn和Toma與伯克利實驗室的納米級科學(xué)研究機(jī)構(gòu)MolecularFoundry的科學(xué)家合作，通過Foundry的用戶程序?qū)@些測量進(jìn)行了測量。他們發(fā)現(xiàn)，與材料的納米級形態(tài)有關(guān)的性能存在差異。

“我們發(fā)現(xiàn)，使用電荷的方式在整個樣本中并不均勻，而是存在異質(zhì)性，”Eichhorn說。“當(dāng)我們進(jìn)行水分解時，這些性能差異可能會影響其宏觀性能-樣品的總體產(chǎn)量。”

為了理解這種特征，Toma給出了太陽能電池板的例子。“讓我們說小組的效率為22%，”她說。“但你能否在納米尺度上，在面板的每個點上，它會給你22%的效率?這種技術(shù)可以讓你說，是或否，特別是光電化學(xué)材料。如果答案是否定的，那就意味著那里在你的材料上不太活躍的地方。在最好的情況下，它只會降低你的總效率，但如果有更復(fù)雜的過程，你的效率可以降低很多。“

對釩酸鉍如何起作用的更好理解也將使研究人員能夠合成能夠更有效地驅(qū)動相同反應(yīng)的新材料。這項研究建立在Toma和其他人之前的研究基礎(chǔ)之上，在這項研究中，她能夠分析和預(yù)測定義(照片)光電化學(xué)材料的化學(xué)穩(wěn)定性的機(jī)制。

Toma說，這些結(jié)果使科學(xué)家們更接近于實現(xiàn)有效的人工光合作用。“現(xiàn)在我們知道如何測量這些材料中的局部光電流，這些材料具有非常低的電導(dǎo)率，”她說。“下一步是將所有這些都放在液體電解質(zhì)中并做同樣的事情。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，這是前進(jìn)的重要的第一步“。