為了實現人工光合作用，像植物一樣將陽光、水和二氧化碳轉化為燃料，研究人員不僅要識別材料以有效地進行光電化學水分解，還要了解為什么某種材料可能起或不起作用。現在，勞倫斯伯克利國家實驗室（伯克利實驗室）的科學家們開創了一種技術，該技術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"NanoscaleImagingofChargeCarrierTransportinWaterSplittingAnodes"（水分裂陽極中電荷載體傳輸的納米尺度成像）剛剛在NatureCommunications上發表。主要研究人員是伯克利實驗室化學科學部的JohannaEichhorn和FrancescaToma。

能源創新中心人工光合作用聯合中心的研究員Toma說：“該技術將材料的形態與其功能相聯系，并在納米尺度上對電荷傳遞機制或電荷如何在材料內移動給出了深入的見解。”

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生高能量的燃料。這種方法的優點是它不會與糧食庫存競爭，也不會產生或減少溫室氣體排放。光電化學水分解系統需利用陽光將水分子分解成氫和氧的特殊半導體。

釩酸鉍已被確定為一種很有潛力的光電陽極材料，它可以在光電化學電池中提供氧化水的電荷。Eichhorn說：“這種材料是一個案例，理論上效率很好，但在實驗測試中，你實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原子力顯微鏡以高的空間分辨率繪制樣品每個點的電流。該技術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，但目前還不清楚在光電化學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科學研究機構MolecularFoundry公司的科學家們一起通過Foundry公司的用戶項目進行這些測量。他們發現，材料的納米級形態在性能上存在差異。

Eichhorn：“我們發現，電荷的利用方式在整個樣本中并不均勻，而存在異質性。當我們進行水分解時，這些性能差異可能導致其宏觀性能-樣品的總體輸出。”

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

進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動相同反應。這項研究建立在Toma和其他人的研究基礎之上，在這項研究中，她能夠分析和預測決定（光）電化學材料的化學穩定性機制。

Toma表示，這些結果使科學家們更接近于實現有效的人工光合作用。她還說：“現在我們知道如何測量這些低電導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中并完成相同的操作。我們有工具，現在我們知道如何解釋結果，以及如何分析它們，這是向前邁進的重要第一步。”

本文摘自：材料科技在線