仔细研究水分解的太阳能潜力

在应对气候变化的斗争中，科学家们一直在寻找用无碳替代品(例如氢燃料)代替化石燃料的方法。一种称为光电化学电池(PEC)的设备具有通过人工光合作用生产氢燃料的潜力，这是一种新兴的可再生能源技术，利用阳光中的能量来驱动化学反应，例如将水分解为氢和氧。

PEC成功的关键不仅在于其光电极与光反应产生氢的能力，还包括氧。很少有材料能做到这一点，根据理论，称为钒酸铋(BiVO 4)的无机材料是不错的选择。

但是这项技术还很年轻，该领域的研究人员一直在努力制造一种BiVO 4光电极，使其在PEC器件中发挥其潜力。如今，正如《小型》杂志所报道的那样，由能源部劳伦斯·伯克利国家实验室(伯克利实验室)和美国能源部能源创新中心人工光合作用联合中心(JCAP)的科学家领导的研究团队获得了重要的新见解。进入纳米级(十亿分之一米)可能发生的事情，从而使BiVO 4退缩。

“当您制作一种材料，例如钒酸铋之类的无机材料时，您可以用肉眼观察它就认为该材料在整个过程中都是均匀且均匀的，”资深作者Francesca Toma说。伯克利实验室化学科学部的JCAP。“但是当您看到纳米级材料的细节时，您突然认为均匀的实际上是异质的，具有不同的性质和化学组成的集合。如果您想提高光电极材料的效率，您需要了解更多关于纳米级正在发生的事情。”

X射线和模拟使清晰的图像成为焦点

在实验室指导研究与开发计划支持的先前研究中，托马及其主要作者Johanna Eichhorn在伯克利实验室JCAP实验室使用原子力显微镜开发了一种特殊技术，以捕获纳米级钒酸铋薄膜的图像，从而了解了材料的特性会影响其在人工光合作用设备中的性能。(Eichhorn，目前在德国慕尼黑工业大学的Walter Schottky研究所工作，当时是伯克利实验室化学科学系的研究员。)

当前的研究是在这项开创性工作的基础上，通过使用伯克利实验室先进光源(ALS)(als.lbl.gov/)上的扫描透射X射线显微镜(STXM)来绘制薄层中的变化钒酸铋铋(Mo-BiVO 4)制成的薄膜半导体材料。

研究人员使用钒酸铋作为光电极的例子，因为该材料可以吸收太阳光谱中可见光范围内的光，并且当与催化剂结合使用时，其物理性质使其可以在水分解反应中产生氧气。托马解释说，钒酸铋是能做到这一点的少数材料之一，在这种情况下，向BiVO 4中添加少量钼以某种方式改善了它的性能。

Francesca Toma(右)和Johanna Eichhorn在伯克利实验室的JCAP实验室使用原子力显微镜开发了一种特殊技术，以捕获纳米级钒酸铋薄膜的图像，以了解材料的特性如何影响其在人造光合作用设备中的性能。图片提供：Marilyn Sargent /伯克利实验室

当水分解成H2和O2时，需要形成氢-氢和氧-氧键。但是，如果水分解的任何步骤不同步，则会发生不需要的反应，这可能导致腐蚀。Toma解释说：“而且，如果您想将一种材料放大成一种商用的水分解装置，没有人会想要降解的东西。因此，我们想开发一种技术，以绘制出纳米级哪个区域最适合制造氧气。” 。

与ALS研​​究人员科学家David Shapiro一起工作时，Toma和她的团队使用STXM对Mo-BiVO 4薄膜中的晶粒进行了高分辨率的纳米级测量，因为该材料响应于光和电解质引发的水分解反应而降解。

夏皮罗说：“材料中纳米级的化学异质性通常会导致有趣和有用的特性，而且很少有显微镜技术能够探测这种级别材料的分子结构。” “高级光源处的STXM仪器是非常灵敏的探针，可以在高空间分辨率下无损地量化这种异质性，因此可以对这些特性有更深入的了解。”

Molecular Foundry临时部门主管David Prendergast和Foundry的前博士后研究员Sebastian Reyes-Lillo通过开发计算工具来分析每个分子的光谱“指纹” ，帮助团队了解Mo-BiVO 4对光的反应。Reyes-Lillo目前是智利安德烈斯贝洛大学的教授，也是Molecular Foundry的用户。分子铸造厂是纳米级科学研究中心的国家用户设施。

Toma说：“ Prendergast的技术非常强大。” “通常，当您拥有由不同原子构成的复杂的异质材料时，所获得的实验数据并不容易理解。这种方法可以告诉您如何解释这些数据。而且，如果我们对数据有更好的了解，我们可以制定更好的策略使Mo-BiVO 4光电极在水分解过程中不易腐蚀。”

Reyes-Lillo补充说，Toma对这项技术的使用以及JCAP的工作使人们对Mo-BiVO 4有了更深入的了解，否则这是不可能的。“该方法揭示了材料局部电子结构的特定元素化学指纹，使其特别适合于研究纳米尺度的现象。我们的研究代表了朝着提高太阳能燃料技术用BiVO 4半导体材料性能的方向迈出的一步， “ 他说。

下一步

研究人员下一步计划通过在材料运行时拍摄STXM图像来进一步开发该技术，以便他们能够了解材料如何在PEC模型系统中作为光电极发生化学变化。

“我为这项工作感到非常自豪。我们需要找到化石燃料的替代解决方案，我们需要可再生能源替代。即使这项技术明天还没有准备好投放市场，我们的技术以及为用户提供的功能强大的仪器在Advanced Light Source和Molecular Foundry上，它将为可再生能源技术开辟新途径以发挥作用。”