分裂水：纳米级成像产生关键见解

为了实现人工光合作用，将太阳光，水和二氧化碳转化为燃料 - 就像植物一样 - 研究人员不仅需要识别材料以有效地进行光电化学水分解，还需要了解某种材料为何可能或可能行不通。现在，劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的科学家开创了一种技术，该技术利用纳米级成像来了解局部纳米级特性如何影响材料的宏观性能。

他们的研究“水分裂阳极中电荷载体传输的纳米尺度成像”刚刚在Nature Communications上发表。主要研究人员是伯克利实验室化学科学部的Johanna Eichhorn和Francesca Toma。

“这种技术将材料的形态与其功能相关联，并提供了电荷传输机制的见解，或者电荷在纳米尺度内如何在材料内部移动，”Toma说，他也是人工光合作用联合中心的研究员，能源创新中心。

人工光合作用旨在仅使用阳光，水和二氧化碳作为输入来产生能量密集的燃料。这种方法的优点是它不会与粮食库存竞争，也不会产生或减少温室气体排放。光电化学水分解系统需要使用太阳光将水分子分解成氢和氧的专用半导体。

钒酸铋已被确定为光阳极的有希望的材料，其提供电荷以光化电化学电池中的水。“这种材料是一个案例，其中效率在理论上应该是好的，但在实验测试中，你实际上观察到效率非常低，”Eichhorn说。“原因尚不完全清楚。”

研究人员使用光电导原子力显微镜以高空间分辨率绘制样品每个点的电流。该技术已经用于分析太阳能电池材料的局部电荷传输和光电性质，但是还不知道已经用于理解光电化学材料中纳米级的电荷载流子传输限制。

Eichhorn和Toma与伯克利实验室的纳米级科学研究机构Molecular Foundry的科学家合作，通过Foundry的用户程序对这些测量进行了测量。他们发现，与材料的纳米级形态有关的性能存在差异。

“我们发现，使用电荷的方式在整个样本中并不均匀，而是存在异质性，”Eichhorn说。“当我们进行水分解时，这些性能差异可能会影响其宏观性能 - 样品的总体产量。”

为了理解这种特征，Toma给出了太阳能电池板的例子。“让我们说小组的效率为22%，”她说。“但你能否在纳米尺度上，在面板的每一点，它会给你22%的效率?这种技术可以让你说，是或否，特别是光电化学材料。如果答案是否定的，那就意味着那里在你的材料上不太活跃的地方。在最好的情况下，它只会降低你的总效率，但如果有更复杂的过程，你的效率可以降低很多。“

对钒酸铋如何起作用的更好理解也将使研究人员能够合成能够更有效地驱动相同反应的新材料。这项研究建立在Toma和其他人之前的研究基础之上，在这项研究中，她能够分析和预测定义(照片)光电化学材料的化学稳定性的机制。

Toma说，这些结果使科学家们更接近于实现有效的人工光合作用。“现在我们知道如何测量这些材料中的局部光电流，这些材料具有非常低的电导率，”她说。“下一步是将所有这些都放在液体电解质中并做同样的事情。我们有工具。现在我们知道如何解释结果，以及如何分析它们，这是前进的重要的第一步“。