Nature子刊：伯克利研究人员使用纳米级成像技术探索人工光合作用的光电阳极材料

伯克利实验室的研究人员Francesca Toma（左）和Johanna Eichhorn使用光电导原子力显微镜来更好地解释实现人工光合作用的材料。 图片来源：Marilyn Chung / 伯克利实验室

      为了实现人工光合作用，像植物一样将阳光、水和二氧化碳转化为燃料，研究人员不仅要识别材料以有效地进行光电化学水分解，还要了解为什么某种材料可能起或不起作用。现在，劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）的科学家们开创了一种技术，该技术利用纳米级成像来了解局部纳米级特性如何影响材料的宏观性能。

      他们的研究"Nanoscale Imaging of Charge Carrier Transport in Water Splitting Anodes"（水分裂阳极中电荷载体传输的纳米尺度成像）刚刚在Nature Communications上发表。 主要研究人员是伯克利实验室化学科学部的Johanna Eichhorn和Francesca Toma。

      能源创新中心人工光合作用联合中心的研究员Toma说：“该技术将材料的形态与其功能相联系，并在纳米尺度上对电荷传递机制或电荷如何在材料内移动给出了深入的见解。”

      人工光合作用旨在仅使用阳光、水和二氧化碳作为输入来产生高能量的燃料。这种方法的优点是它不会与粮食库存竞争，也不会产生或减少温室气体排放。光电化学水分解系统需利用阳光将水分子分解成氢和氧的特殊半导体。

      钒酸铋已被确定为一种很有潜力的光电阳极材料，它可以在光电化学电池中提供氧化水的电荷。Eichhorn说：“这种材料是一个案例，理论上效率很好，但在实验测试中，你实际上观察到的效率很低。原因尚不完全清楚。”

      研究人员使用光电导原子力显微镜以高的空间分辨率绘制样品每个点的电流。该技术已被用于分析太阳能电池材料的局部电荷传输和光电性质，但目前还不清楚在光电化学材料中纳米级的电荷载流子传输限制。

      Eichhorn和Toma与伯克利实验室的纳米科学研究机构Molecular Foundry公司的科学家们一起通过Foundry公司的用户项目进行这些测量。他们发现，材料的纳米级形态在性能上存在差异。

      Eichhorn：“我们发现，电荷的利用方式在整个样本中并不均匀，而存在异质性。当我们进行水分解时，这些性能差异可能导致其宏观性能 - 样品的总体输出。”

      为了理解这种特征，Toma给出了一个太阳能电池板的例子。她说：“假设该电池板的效率为22％。但是在纳米尺度上，在板的每一点，它是否会给你22％的效率？这种技术使您可以对光电化学材料说‘是’或‘不是’。如果答案是否定的，则表示材料上的活性点较少。在最理想的情况下，它只会降低总效率，但如果有更复杂的过程，效率还可能会大幅降低。”

      进一步理解钒酸铋如何起作用，也将使研究人员能够合成新材料，从而能够更有效地驱动相同反应。这项研究建立在Toma和其他人的研究基础之上，在这项研究中，她能够分析和预测决定（光）电化学材料的化学稳定性机制。

      Toma表示，这些结果使科学家们更接近于实现有效的人工光合作用。她还说：“现在我们知道如何测量这些低电导率材料中的局部光电流。下一步是将所有这些材料都放入液体电解质中并完成相同的操作。我们有工具，现在我们知道如何解释结果，以及如何分析它们，这是向前迈进的重要第一步。”