仔細研究水分解的太陽能潛力

在應對氣候變化的斗爭中，科學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。一種稱為光電化學電池(PEC)的設備具有通過人工光合作用生產氫燃料的潛力，這是一種新興的可再生能源技術，利用陽光中的能量來驅動化學反應，例如將水分解為氫和氧。

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

但是這項技術還很年輕，該領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新中心人工光合作用聯合中心(JCAP)的科學家領導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)可能發生的事情，從而使BiVO 4退縮。

“當您制作一種材料，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。伯克利實驗室化學科學部的JCAP。“但是當您看到納米級材料的細節時，您突然認為均勻的實際上是異質的，具有不同的性質和化學組成的集合。如果您想提高光電極材料的效率，您需要了解更多關于納米級正在發生的事情。”

X射線和模擬使清晰的圖像成為焦點

在實驗室指導研究與開發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了一種特殊技術，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備中的性能。(Eichhorn，目前在德國慕尼黑工業大學的Walter Schottky研究所工作，當時是伯克利實驗室化學科學系的研究員。)

當前的研究是在這項開創性工作的基礎上，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的光，并且當與催化劑結合使用時，其物理性質使其可以在水分解反應中產生氧氣。托馬解釋說，釩酸鉍是能做到這一點的少數材料之一，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了一種特殊技術，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備中的性能。圖片提供：Marilyn Sargent /伯克利實驗室

當水分解成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，則會發生不需要的反應，這可能導致腐蝕。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，我們想開發一種技術，以繪制出納米級哪個區域最適合制造氧氣。” 。

與ALS研??究人員科學家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，因為該材料響應于光和電解質引發的水分解反應而降解。

夏皮羅說：“材料中納米級的化學異質性通常會導致有趣和有用的特性，而且很少有顯微鏡技術能夠探測這種級別材料的分子結構。” “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。Reyes-Lillo目前是智利安德烈斯貝洛大學的教授，也是Molecular Foundry的用戶。分子鑄造廠是納米級科學研究中心的國家用戶設施。

Toma說：“ Prendergast的技術非常強大。” “通常，當您擁有由不同原子構成的復雜的異質材料時，所獲得的實驗數據并不容易理解。這種方法可以告訴您如何解釋這些數據。而且，如果我們對數據有更好的了解，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構的特定元素化學指紋，使其特別適合于研究納米尺度的現象。我們的研究代表了朝著提高太陽能燃料技術用BiVO 4半導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圖像來進一步開發該技術，以便他們能夠了解材料如何在PEC模型系統中作為光電極發生化學變化。

“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。即使這項技術明天還沒有準備好投放市場，我們的技術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開辟新途徑以發揮作用。”