財聯社(上海,編輯 黃君芝)訊,據報道,美國勞倫斯伯克利國家實驗室的一個研究小組開發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,具有顯著的穩定性和壽命。
研究人員最近在《自然能源》(Nature Energy)雜志上發表了他們的發現,揭示了該設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:“通過了解材料和設備在運行中如何轉變,我們可以設計出更耐用的方法,從而減少浪費,”他是液體陽光聯盟(LiSA)伯克利實驗室化學科學部的一名科學家。
在目前的研究中,Toma和她的團隊設計了一種太陽能(000591)燃料裝置模型,稱為光電化學(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家,因為這種材料的優點——它對光的高反應性,也是它的弱點,因為光會導致這種材料在暴露幾分鐘內就分解。不過,盡管氧化亞銅不穩定,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構。
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,將二氧化碳還原成可再生化學品或燃料,如乙烯和氫氣,但水含有氫氧根離子,導致不穩定。
但是通過另一項實驗,這次是使用高級光源的一種叫做環境壓力X射線光電子能譜(APXPS)的技術,研究人員發現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合而成的帶負電的離子。
Toma說,“我們知道它是不穩定的,但我們驚訝地發現它實際上是多么不穩定。當我們開始這項研究時,我們想,也許更好的太陽能燃料設備的關鍵不在于材料本身,而是在整個反應環境中,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、伯克利實驗室化學科學部的LiSA項目科學家Guiji Liu解釋說。
揭開腐蝕的意外線索
在電子設備中,電子-空穴對分離成電子和空穴來產生電荷。但是一旦分離,如果電子和空穴不能用來發電,比如在將陽光轉化為電能的光伏設備中,或者在人工光合作用設備中進行反應,它們可以與材料發生反應并使其退化。
在人工光合作用中,如果控制不當,這種重組會腐蝕氧化亞銅。科學家們長期以來一直認為,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,大多數人認為光誘導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生的電子轉移,它應該創造一個“漏斗”,將空穴從氧化亞銅發送到金/鐵氧化物“水槽”。此外,Toma解釋說,界面材料的多樣性應該通過提供額外的電子與氧化亞銅的空穴重新結合來穩定系統。
為了驗證他們的模擬結果,研究人員設計了一個人工光合作用設備的物理模型。令他們高興的是,該裝置以前所未有的選擇性產生了乙烯和氫,而且持續時間超過24小時。Toma說,“這是一個令人激動的結果。”
“我們希望我們的工作能鼓勵人們設計出適應人工光合作用設備中半導體材料固有特性的策略,”Liu補充道。
研究人員計劃繼續利用他們的新方法開發用于生產液體燃料的新型太陽能燃料設備。Toma總結道,“了解材料在人工光合作用設備中發揮作用時是如何轉化的,可以使其進行預防性修復和延長活動。”