布鲁克海文国家实验室的阿丽亚娜·曼格拉维蒂 (左)在阳光下，钒酸铋(BiVO4)——一种很有前途的分解水的电极材料——产生电子空穴对(电荷载体)，将水分解成氢气和氧气
通过将钒酸铋与锂“掺杂”或结合，科学家提高了材料的导电性和水氧化活性
水氧化产生氧气，是水分裂的两种反应之一；第二反应产生氢气，一种燃料
(右)掺锂的四氧化二钒的原子模型显示锂原子(绿色)占据晶格内的空隙
学分:布鲁克海文国家实验室 太阳是一种丰富的可再生能源，可以被捕获并转化为可用的电能
然而，因为太阳并不总是发光，所以能量的供应不是连续的
我们需要一种储存太阳能的方法，这样它就可以在“关闭”期间按需释放，比如在夜间和多云的条件下
一种选择是利用太阳能为产生燃料的化学反应提供动力
例如，太阳能可以通过水分解转化为氢——一种高能量、清洁燃烧的燃料
为了推动这一反应，由吸光半导体材料制成的两个电极被连接起来，并浸没在水中
阳光照射到电极上会产生电流，将水分解成两种成分:氢和氧
“我们需要低成本、可广泛获得、对环境友好的半导体，能够吸收一定波长范围内的光，并有效地将水氧化成氧气，这是反应中最具挑战性的部分，”美国大学功能纳米材料中心(CFN)界面科学与催化小组的科学家·刘解释说
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能源部布鲁克海文国家实验室
“当暴露在氧气中时，半导体很容易被腐蚀
" 例如，硅，太阳能电池中常用的半导体，暴露在氧气中会迅速腐蚀
二氧化钛显示出很高的稳定性和导电性，但它只吸收紫外线，而紫外线仅占地球表面接收的所有太阳辐射的大约6%
另一个有希望的候选物是钒酸铋
这种黄色无毒材料由铋、钒和氧(BVO)制成，具有很高的稳定性，可以吸收紫外线和可见光
然而，它是不良导体，限制了太阳能转化为氢气的效率
在过去的几年里，刘一直致力于培育高品质的，并提高其太阳能分水性能
正如刘解释的那样，是一种复杂的材料，因为它由两种不同的金属和氧组成
如果原子的比例不是一比一，缺陷可能会被无意地引入
这些缺陷使得研究材料的真实性质和发现其固有的局限性变得困难
为了制造具有高纯度和晶体结构的薄膜，刘一直使用脉冲激光沉积
在这种技术中，聚焦的紫外激光在真空室中加热具有所需元素组成的目标材料
因为激光脉冲的能量非常强，目标材料表面的原子蒸发并凝结在衬底上形成薄膜
“一旦我们有了一种无缺陷的晶体材料，那么我们就可以问，如何才能改进它？”刘说
在今年早些时候发表的一项研究中，刘、的同事和加州大学圣克鲁斯分校的理论家们研究了如何通过脉冲激光沉积向添加少量其他材料(一种被称为掺杂的过程)来提高其电导率
理论家的电子结构计算表明，锂将是一个理想的实验测试掺杂剂；在室温下，锂很容易为体系贡献一个电子，并且足够小，可以嵌入晶格的空隙中，而不会显著影响其结构
在合成掺有最佳锂含量的BVO薄膜后，研究小组在CFN和布鲁克海文的国家同步加速器光源二号(NSLS二号)进行了一系列基于电子和x光的表征研究
这些研究证实了薄膜的纯度和锂掺杂后晶格畸变的减少
然后，研究小组测量了掺锂BVO的电子传输特性和光电化学性能
根据这些实验，与纯BVO相比，锂掺杂将BVO的电导率提高了近两个数量级，其水氧化活性提高了20%
“理论预测和实验验证对于快速创造新的能量转换材料来说是密不可分的，”加州大学圣克鲁斯分校化学与生物化学系助理教授、平集团首席研究员袁平说
在最近的另一项研究中，刘和来自芝加哥大学和威斯康星大学的合作者研究了氧空位对在最能量稳定方向上的电子结构和输运性质的影响
正如刘所解释的，晶格中缺少氧的位置是氧化物材料固有的，即使没有掺杂
使用计算方法，该团队创建了一个BVO的结构模型，并通过比较计算和实验电子状态来验证该模型
他们的结果表明，材料内部的氧空位有助于提高电导率，而表面的氧空位不会也可能实际上阻碍电导率
“表面的氧空位更像电荷陷阱，”刘说
“当电荷到达那里时，它们就会被局限和卡住
" 需要进行后续研究，以了解当BVO浸没在水中并与助催化剂协同工作以增强电荷转移时，表面氧空位及其固定电荷的趋势如何受到影响
科学家们将研究过渡金属氧化物是否能有效地作为助催化剂
他们还将探索太阳能分水的活性是如何取决于哪种类型的原子(铋或钒)终止表层的
“在这两项研究中，实验学家和理论家之间的密切合作是我们成功的关键，”刘说
“我们期待着继续这些合作，以进一步扩大我们对BVO的了解，并确定提高其绩效的机制
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