分裂水的研究——納米成像是關(guān)鍵
為了實(shí)現(xiàn)人工光合作用，將陽(yáng)光、水和二氧化碳轉(zhuǎn)化為燃料，就像植物一樣，研究人員不僅需要識(shí)別材料以有效地進(jìn)行光電化學(xué)水分解，而且要理解為什么某種物質(zhì)可能有作用或可能沒有。現(xiàn)在，勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Berkeley Lab）的科學(xué)家們開創(chuàng)了一種技術(shù)，它使用納米級(jí)成像技術(shù)來(lái)了解局部納米尺度特性如何影響材料的宏觀性能。 !U]V?Jpi"
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他們的研究題目：“在陽(yáng)極水分裂過程中電荷載流子傳輸?shù)募{米尺度成像研究”，剛剛發(fā)表在《自然通信Nature Communications》雜志上。主要研究人員是伯克利實(shí)驗(yàn)室化學(xué)科學(xué)部的Johanna Eichhorn和Francesca Toma。 ]^gD@].
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“這項(xiàng)技術(shù)將材料的形態(tài)與其功能聯(lián)系起來(lái)，并給出了電荷傳輸機(jī)制的洞察力，或者電荷是如何在納米尺度內(nèi)移動(dòng)的，”Toma說(shuō)，他同時(shí)也是人工光合作用聯(lián)合中心的研究員，后者是一個(gè)能源技術(shù)的創(chuàng)新中心。 0[D5]mc v
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上圖所示，伯克利實(shí)驗(yàn)室的研究人員Francesca Toma（左）和Johanna Eichhorn使用光導(dǎo)原子力顯微鏡來(lái)更好地理解人工光合作用的材料。圖片來(lái)源：伯克利實(shí)驗(yàn)室。 W<2%J)N<
人工光合作用試圖以僅以陽(yáng)光、水和二氧化碳為輸入的能量密集型燃料。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是，它不與食品庫(kù)存競(jìng)爭(zhēng)，不會(huì)產(chǎn)生或不產(chǎn)生溫室氣體排放。光電化學(xué)水分解系統(tǒng)需要專門的半導(dǎo)體，利用陽(yáng)光將水分子分解為氫和氧。 [RD ^@~x
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釩酸鉍已被證實(shí)是一種有前途的光陽(yáng)極材料，它為氧化光電化學(xué)電池中的水提供電荷�！斑@種材料是一個(gè)例子，其中效率應(yīng)該在理論上是好的，但在實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，你實(shí)際上會(huì)觀察到非常差的效率，”Eichhorn說(shuō)。“其中的原因尚不完全清楚。” CV 4V_G
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研究人員使用光導(dǎo)原子力顯微鏡在樣品的每個(gè)點(diǎn)上繪制電流，能夠?qū)崿F(xiàn)很高的空間分辨率。這種技術(shù)已經(jīng)被用于分析太陽(yáng)能電池材料的局部電荷傳輸和光電特性，但是還未經(jīng)被用來(lái)理解光電化學(xué)材料中納米尺度上的電荷載流子傳輸限制情況。 qx{.`AaZW
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Eichhorn 和Toma在伯克利實(shí)驗(yàn)室的分子鑄造廠工作，通過鑄造廠的用戶程序進(jìn)行這些測(cè)量。他們發(fā)現(xiàn)，與材料的納米形貌有關(guān)的性能有差異。 Beqhe\{
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Eichhorn說(shuō)：“我們發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)樣本中，電荷的使用方式并不均勻，而是存在異質(zhì)性。這些性能差異可以解釋其宏觀性能，當(dāng)我們進(jìn)行水分離時(shí)，即樣品的總輸出量�！� QY+#Vp <`
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為了理解這個(gè)特性，Toma給出了太陽(yáng)能電池板的例子�！凹僭O(shè)面板有22%的效率，“她說(shuō)。“但是你能分辨出納米級(jí)，在面板的每個(gè)點(diǎn)上，它會(huì)給你22%的效率嗎？而這種技術(shù)能夠分辨出來(lái)是否是這種情況，特別是對(duì)于光電化學(xué)材料。如果答案是否定的，那就意味著材料上的活性點(diǎn)會(huì)減少。在最好的情況下，它只會(huì)降低你的總效率，但是如果有更復(fù)雜的過程，你的效率可以降低很多�！� QVn0!R{
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對(duì)釩酸鉍如何工作的理解的改進(jìn)，也將允許研究人員合成新材料，這些材料能夠更有效地驅(qū)動(dòng)相同的反應(yīng)。這項(xiàng)研究建立在Toma等人的研究中，在其中她能夠分析和預(yù)測(cè)定義光電化學(xué)材料化學(xué)穩(wěn)定性的機(jī)制。 <zZAVGb4I
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Toma說(shuō)，這些結(jié)果使科學(xué)家更接近于實(shí)現(xiàn)高效的人工光合作用。“現(xiàn)在我們知道如何測(cè)量這些材料中的局部光電流，這些材料的導(dǎo)電率很低。下一步是把所有這些放在液體電解質(zhì)中，做完全一樣的事情。我們有工具，現(xiàn)在我們知道如何解釋結(jié)果，如何分析它們，這是向前邁出的重要第一步�！� *"fg@B5
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