作者特蕾莎·杜克，劳伦斯·伯克利国家实验室 左图:Mo-BiVO4薄膜降解前(左上)和降解后(左下)的原子力显微镜图像；腐蚀导致材料颗粒彼此分离
右图:Mo-BiVO4薄膜降解前(右上)和降解后(右下)的X射线吸收图；暗区域对应于具有高浓度钼-铋钒氧化物的区域，而亮区域表示具有低浓度钼-铋钒氧化物的区域
学分:伯克利实验室 在应对气候变化的斗争中，科学家们一直在寻找用氢燃料等无碳替代品来替代化石燃料的方法
一种被称为光电化学电池(PEC)的设备有可能通过人工光合作用生产氢燃料，这是一种新兴的可再生能源技术，利用太阳光的能量来驱动化学反应，例如将水分解成氢和氧
PEC成功的关键不仅在于它的光电极与光反应产生氢，还包括氧
很少有材料能做到这一点，根据理论，一种叫做钒酸铋的无机材料是一个很好的候选材料
然而，这项技术仍然很年轻，该领域的研究人员一直在努力制造一种能够在PEC器件中发挥其潜力的四氧化二钒光电极
现在，正如《小》杂志报道的那样，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)的科学家领导的一个研究小组，已经获得了重要的新发现，即在纳米尺度(十亿分之一米)上可能会发生什么来抑制四氧化二钒
“当你制作一种材料，比如钒酸铋这样的无机材料时，你可能会认为，只要用肉眼看一下，这种材料在整个过程中都是均匀一致的，”资深作者弗朗西丝卡·托马说，她是JCAP大学伯克利实验室化学科学部的一名科学家
“但是当你能在纳米尺度上看到材料的细节时，突然间你认为同质的东西实际上是异质的——不同性质和化学成分的集合
如果你想提高光电极材料的效率，你需要更多地了解纳米尺度上发生的事情
" x光和模拟使一幅更清晰的画面成为焦点 在之前的一项由实验室指导研究和发展项目支持的研究中，托马和主要作者乔安娜·艾希霍恩开发了一种特殊的技术，利用伯克利实验室JCAP实验室的原子力显微镜捕捉纳米级的薄膜钒酸铋图像，以了解材料的特性如何影响其在人工光合作用设备中的性能
(艾希霍恩目前在德国慕尼黑技术大学的沃尔特·肖特研究所工作，他在研究时是伯克利实验室化学科学部的研究员
) 目前的研究建立在这项开创性工作的基础上，使用了伯克利实验室的高级光源扫描透射x光显微镜(STXM)
技术
gov/)，一个同步加速器用户设备，用来绘制由钼铋钒酸盐(钼铋钒)制成的薄膜半导体材料的变化
研究人员使用钒酸铋作为光电极的一个例子，因为这种材料可以吸收太阳光谱中可见光范围内的光，当与催化剂结合时，它的物理性质允许它在水分解反应中制造氧气
托马解释说，钒酸铋是少数能做到这一点的材料之一，在这种情况下，向四氧化二铋中加入少量钼可以提高其性能
弗朗西丝卡·托马(右)和约翰娜·埃奇霍恩开发了一种特殊技术，利用柏克莱实验室JCAP实验室的原子力显微镜捕捉纳米级钒酸盐薄膜的图像，以了解材料的特性如何影响其在人工光合作用设备中的性能
学分:玛丽莲·萨金特/伯克利实验室 当水分解成H2和氧气时，需要形成氢-氢和氧-氧键
但是如果水分解的任何一步不同步，就会发生不必要的反应，这可能导致腐蚀
“如果你想把一种材料放大成商用分水装置，没有人想要降解的东西
所以我们想开发一种技术，来描绘出纳米尺度上哪些区域最擅长制氧，”托马解释说
托马和她的团队与肌萎缩侧索硬化症的工作人员科学家大卫·夏皮罗合作，利用STXM对钼铋钒薄膜中的颗粒进行了高分辨率的纳米尺度测量，这种材料因光和电解质引发的水分裂反应而降解
夏皮罗说:“一种材料在纳米尺度上的化学异质性通常会导致有趣和有用的特性，很少有显微技术能在这种尺度上探测材料的分子结构。”
“高级光源的STXM仪器是非常灵敏的探测器，可以在高空间分辨率下无损地量化这种不均匀性，因此可以对这些特性提供更深入的理解
" 大卫·普伦德加斯特是分子代工厂的临时部门主管，塞巴斯蒂安·雷耶斯-利略是该代工厂的前博士后研究员，他们通过开发计算工具来分析每个分子的光谱“指纹”，从而帮助团队了解钼-铋钒氧化物对光的反应
“雷耶斯-利略目前是智利安德烈斯·贝略大学的教授和分子铸造用户
分子铸造厂是纳米科学研究中心的国家用户设施
“普伦德加斯特的技术真的很强大，”托马说
“通常当你有由不同原子组成的复杂异质材料时，你得到的实验数据并不容易理解
这种方法告诉您如何解释这些数据
如果我们对这些数据有更好的理解，我们就能创造出更好的策略，使钼铋钒光电极在分水过程中不那么容易受到腐蚀
" 雷耶斯-利略补充道，托马对这种技术的运用以及在JCAP的工作使得人们对钼铋钒土有了更深入的了解，否则这是不可能的
“这种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
他说:“我们的研究代表着向改善太阳能燃料技术用的半导体四氧化二钒基材料的性能迈出了一步。”
后续步骤 研究人员下一步计划通过在材料运行时拍摄STXM图像来进一步发展这项技术，以便他们能够理解材料在模型PEC系统中作为光电极是如何发生化学变化的
“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，我们需要可再生的替代品
即使这项技术还没有为明天的市场做好准备，我们的技术——以及高级光源和分子铸造厂用户可以使用的强大仪器——将为可再生能源技术开辟新的途径，发挥作用
"
来源：由phyica.com整理转载自PH，转载请保留出处和链接！
