財聯(lián)社（上海，編輯 黃君芝）訊，據(jù)報道，美國勞倫斯伯克利國家實驗室的一個研究小組開發(fā)了一種新的人工光合作用裝置組件，它可以有選擇性地將陽光和二氧化碳轉(zhuǎn)化為兩種有前途的可再生燃料來源——乙烯和氫氣，具有顯著的穩(wěn)定性和壽命。
研究人員最近在《自然能源》（Nature Energy）雜志上發(fā)表了他們的發(fā)現(xiàn)，揭示了該設(shè)備在使用過程中是如何退化的，然后演示了如何減輕它的退化。作者還對電子和被稱為“空穴”的電荷載體如何促進人工光合作用的退化提供了新的見解。
論文作者之一的Francesca Toma說：“通過了解材料和設(shè)備在運行中如何轉(zhuǎn)變，我們可以設(shè)計出更耐用的方法，從而減少浪費，”他是液體陽光聯(lián)盟（LiSA）伯克利實驗室化學(xué)科學(xué)部的一名科學(xué)家。
在目前的研究中，Toma和她的團隊設(shè)計了一種太陽能(000591)燃料裝置模型，稱為光電化學(xué)（PEC）電池，由氧化銅或氧化亞銅制成，這是一種很有前途的人工光合作用材料。
氧化亞銅長期以來一直困擾著科學(xué)家，因為這種材料的優(yōu)點——它對光的高反應(yīng)性，也是它的弱點，因為光會導(dǎo)致這種材料在暴露幾分鐘內(nèi)就分解。不過，盡管氧化亞銅不穩(wěn)定，但它是人工光合作用的最佳候選材料之一，因為它相對便宜，并具有吸收可見光的合適特性。
為了更好地理解如何優(yōu)化這種有前途的材料的工作條件，Toma和她的團隊仔細研究了氧化亞銅使用前后的晶體結(jié)構(gòu)。
電子顯微鏡實驗證實，氧化亞銅在暴露于光和水的幾分鐘內(nèi)就會迅速氧化或被腐蝕。在人工光合作用研究中，研究人員通常使用水作為電解質(zhì)，將二氧化碳還原成可再生化學(xué)品或燃料，如乙烯和氫氣，但水含有氫氧根離子，導(dǎo)致不穩(wěn)定。
但是通過另一項實驗，這次是使用高級光源的一種叫做環(huán)境壓力X射線光電子能譜（APXPS）的技術(shù)，研究人員發(fā)現(xiàn)了一個意想不到的線索：氧化亞銅在含有氫氧根離子的水中腐蝕得更快，氫氧根離子是由一個氧原子與一個氫原子結(jié)合而成的帶負(fù)電的離子。
Toma說，“我們知道它是不穩(wěn)定的，但我們驚訝地發(fā)現(xiàn)它實際上是多么不穩(wěn)定。當(dāng)我們開始這項研究時，我們想，也許更好的太陽能燃料設(shè)備的關(guān)鍵不在于材料本身，而是在整個反應(yīng)環(huán)境中，包括電解液。”
“這表明氫氧化物有助于腐蝕。另一方面，我們推斷，如果你消除了腐蝕的來源，你就消除了腐蝕，”該研究論文第一作者、伯克利實驗室化學(xué)科學(xué)部的LiSA項目科學(xué)家Guiji Liu解釋說。
揭開腐蝕的意外線索
在電子設(shè)備中，電子-空穴對分離成電子和空穴來產(chǎn)生電荷。但是一旦分離，如果電子和空穴不能用來發(fā)電，比如在將陽光轉(zhuǎn)化為電能的光伏設(shè)備中，或者在人工光合作用設(shè)備中進行反應(yīng)，它們可以與材料發(fā)生反應(yīng)并使其退化。
在人工光合作用中，如果控制不當(dāng)，這種重組會腐蝕氧化亞銅。科學(xué)家們長期以來一直認(rèn)為，氧化亞銅的腐蝕完全是電子造成的。但令研究人員驚訝的是，在美國國家能源研究科學(xué)計算中心（NERSC）進行的計算機模擬顯示，空穴也起到了一定的腐蝕作用。Liu說：“在我們的研究之前，大多數(shù)人認(rèn)為光誘導(dǎo)的氧化亞銅降解主要是由電子引起的，而不是空穴。”
模擬還暗示了一種潛在的解決氧化亞銅固有不穩(wěn)定性的方法:氧化亞銅PEC表面涂有銀，下面是金/鐵氧化物。這種“Z方案”的靈感來自于自然光合作用中發(fā)生的電子轉(zhuǎn)移，它應(yīng)該創(chuàng)造一個“漏斗”，將空穴從氧化亞銅發(fā)送到金/鐵氧化物“水槽”。此外，Toma解釋說，界面材料的多樣性應(yīng)該通過提供額外的電子與氧化亞銅的空穴重新結(jié)合來穩(wěn)定系統(tǒng)。
為了驗證他們的模擬結(jié)果，研究人員設(shè)計了一個人工光合作用設(shè)備的物理模型。令他們高興的是，該裝置以前所未有的選擇性產(chǎn)生了乙烯和氫，而且持續(xù)時間超過24小時。Toma說，“這是一個令人激動的結(jié)果。”
“我們希望我們的工作能鼓勵人們設(shè)計出適應(yīng)人工光合作用設(shè)備中半導(dǎo)體材料固有特性的策略，”Liu補充道。
研究人員計劃繼續(xù)利用他們的新方法開發(fā)用于生產(chǎn)液體燃料的新型太陽能燃料設(shè)備。Toma總結(jié)道，“了解材料在人工光合作用設(shè)備中發(fā)揮作用時是如何轉(zhuǎn)化的，可以使其進行預(yù)防性修復(fù)和延長活動。”
