氫能觀察消息，三年前，密歇根大學(xué)的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一種由硅和氮化鎵(Si/GaN)制成的人工光合作用裝置，它利用陽光制成無碳?xì)錃猓糜谌剂想姵?，其效率和穩(wěn)定性是以前某些技術(shù)的兩倍。

現(xiàn)在，美國能源部勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)室(伯克利實(shí)驗(yàn)室)的科學(xué)家們，與密歇根大學(xué)和勞倫斯利福摩爾國家實(shí)驗(yàn)室合作，在 Si/GaN 中發(fā)現(xiàn)了一種令人驚訝的自我改進(jìn)特性，這種特性有助于材料高效穩(wěn)定地將光和水轉(zhuǎn)化為無碳?xì)?。他們的研究結(jié)果發(fā)表在《自然材料》雜志上，可能有助于從根本上加快人工光合作用技術(shù)和氫燃料電池的商業(yè)化進(jìn)程。

“我們的發(fā)現(xiàn)是一個(gè)真正的游戲規(guī)則改變者,”高級作者 Francesca Toma 說，他是能源部勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)室化學(xué)科學(xué)部的科學(xué)家。她說，通常情況下，太陽能燃料系統(tǒng)中的材料會降解，變得不穩(wěn)定，因此產(chǎn)生氫氣的效率就會降低。“但是我們在 Si/GaN 中發(fā)現(xiàn)了一種不同尋常的特性，這種特性使得 Si/GaN 變得更加高效和穩(wěn)定。我從未見過如此穩(wěn)定的局面。”

先前的人工光合作用材料要么是缺乏耐久性的優(yōu)秀吸光材料，要么是缺乏吸光效率的耐用材料。

但硅和氮化鎵是豐富和廉價(jià)的材料，被廣泛用作日常電子產(chǎn)品的半導(dǎo)體，如 led (發(fā)光二極管)和太陽能電池，合著者 Zetian Mi 說，他是密歇根大學(xué)電氣和計(jì)算機(jī)工程教授，十年前發(fā)明了硅/氮化鎵人工光合作用。

當(dāng)Si/GaN 設(shè)備達(dá)到了破紀(jì)錄的3% 太陽能轉(zhuǎn)化為氫氣的效率時(shí)，他想知道為什么這種普通材料能在一種奇特的人工光合作用設(shè)備中表現(xiàn)得如此出色——所以他向托馬求助。

Mi 通過氫氣了解到了托馬在先進(jìn)顯微技術(shù)方面的專業(yè)知識，這種技術(shù)可以探測人工光合作用材料的納米級(十億分之一米)特性。氫氣是一個(gè)由美國能源部氫氣和燃料電池技術(shù)辦公室支持的五國聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，由國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)導(dǎo)，旨在促進(jìn)國家實(shí)驗(yàn)室、學(xué)術(shù)界和工業(yè)界之間的合作，以開發(fā)先進(jìn)的分水材。伯克利實(shí)驗(yàn)室氫與燃料電池技術(shù)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目經(jīng)理兼氫氣部副主任亞當(dāng) · 韋伯說: “這些支持工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的先進(jìn)分解水材料與國家實(shí)驗(yàn)室的能力的相互作用正是氫氣形成的原因——這樣我們就可以推動(dòng)清潔氫氣生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展。”

托馬和第一作者曾國松是伯克利實(shí)驗(yàn)室化學(xué)科學(xué)部的博士后學(xué)者，他們懷疑氮化鎵可能在該設(shè)備不同尋常的潛在產(chǎn)氫效率和穩(wěn)定性中發(fā)揮了作用。

為了找到答案，曾國松在托馬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了光電導(dǎo)原子力顯微鏡實(shí)驗(yàn)，以測試氮化鎵光電陰極是如何有效地將吸收的光子轉(zhuǎn)化為電子，然后招募這些自由電子將水分解為氫，在材料開始降解并變得不穩(wěn)定和效率降低之前。

他們預(yù)計(jì)僅僅幾個(gè)小時(shí)后，這種材料的光子吸收效率和穩(wěn)定性就會急劇下降。令他們吃驚的是，他們觀察到沿著 GaN 顆粒“側(cè)壁”的微小面對光電流有2-3個(gè)數(shù)量級的改善，曾說。更令人費(fèi)解的是，這種材料隨著時(shí)間的推移已經(jīng)提高了它的效率，即使材料的整體表面并沒有改變多少，曾說。“換句話說，材料沒有變差，反而變好了,”他說。

為了收集更多的線索，研究人員在伯克利實(shí)驗(yàn)室的分子鑄造廠的國家電子顯微鏡中心招募了掃描透射電子顯微鏡(STEM)和依賴角度的 x 射線光子光譜學(xué)(XPS)。

這些實(shí)驗(yàn)揭示了一個(gè)混合了鎵、氮和氧(或氮氧化鎵)的1納米層已經(jīng)沿著一些側(cè)壁形成。發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，增加了“制氫反應(yīng)的活性催化位點(diǎn),”托馬說。

密度泛函理論(DFT)模擬進(jìn)行了由合作者 Tadashi Ogitsu 和 Tuan Anh Pham 在 LLNL 證實(shí)了他們的觀察。Ogitsu 說: “通過計(jì)算材料表面特定部分的化學(xué)物種分布的變化，我們成功地發(fā)現(xiàn)了一種表面結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)與氮氧化鎵作為氫析出反應(yīng)位點(diǎn)的發(fā)展相關(guān)。”

“我們希望我們的研究結(jié)果和方法——氫聯(lián)盟啟動(dòng)的緊密集成的理論和實(shí)驗(yàn)合作——將用于進(jìn)一步改進(jìn)可再生氫生產(chǎn)技術(shù)。”

Mi 補(bǔ)充說: “我們研究這種材料已經(jīng)超過10年了——我們知道它穩(wěn)定而高效。但是，這種合作有助于確定為什么它變得更加健壯和有效而不是退化背后的基本機(jī)制。這項(xiàng)工作的結(jié)果將幫助我們以更低的成本制造出更高效的人工光合作用設(shè)備。”

展望未來，Toma 說她和她的團(tuán)隊(duì)想要在分水光電化學(xué)電池中測試 Si/GaN 光電陰極，而 Zeng 將用類似的材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以更好地了解氮化物是如何有助于人工光合作用穩(wěn)定性的，這是他們從未想過的可能性。

“這完全出乎意料,”曾國松說。“這沒有意義——但是 Pham 的 DFT 計(jì)算給了我們驗(yàn)證觀測結(jié)果所需的解釋。我們的發(fā)現(xiàn)將幫助我們設(shè)計(jì)出更好的人工光合作用。”

“這是國家實(shí)驗(yàn)室和研究型大學(xué)之間史無前例的合作網(wǎng)絡(luò),”托馬說。“氫聯(lián)盟把我們聚集在一起——我們的工作展示了國家實(shí)驗(yàn)室的團(tuán)隊(duì)科學(xué)方法如何幫助解決影響全世界的重大問題。”

這項(xiàng)工作得到了氫先進(jìn)水分解材料聯(lián)盟的支持，該聯(lián)盟是能源部能源效率和可再生能源辦公室下設(shè)的能源材料網(wǎng)絡(luò)的一部分，成立于1931年，相信最大的科學(xué)挑戰(zhàn)最好由團(tuán)隊(duì)來解決，勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室和它的科學(xué)家已經(jīng)獲得了14個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)。今天，伯克利實(shí)驗(yàn)室的研究人員開發(fā)可持續(xù)的能源和環(huán)境解決方案，創(chuàng)造有用的新材料，推進(jìn)計(jì)算的前沿，探索生命、物質(zhì)和宇宙的奧秘。來自世界各地的科學(xué)家依靠實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備來進(jìn)行他們自己的發(fā)現(xiàn)科學(xué)。伯克利實(shí)驗(yàn)室是一個(gè)多項(xiàng)目的國家實(shí)驗(yàn)室，由美國加州大學(xué)能源部科學(xué)辦公室管理。