调整电极表面以驱动将水分解成清洁燃料的阳光动力反应

通过实验和理论的紧密结合，科学家们在原子水平上证明了光电极表面成分的变化如何在光电化学性能中发挥关键作用。

具有修饰的表面原子的电极材料会产生更多电流，该电流会驱动由阳光驱动的反应，从而将水分解为氧气和氢气（一种干净的燃料）。

科学家证明，修饰电极表面最顶层的原子层可以对太阳能水分解的活性产生显着影响。正如他们在2021年2月18日的《自然能源》杂志上所报道的那样，表面上具有更多铋（相对于钒）的钒酸铋电极在吸收太阳光能量时会产生大量电流。该光电流驱动化学反应，将水分解成氧气和氢气。氢气可以储存起来，以备将来用作清洁燃料。氢气与氧气重新结合以在燃料电池中产生电能时仅产生水，因此氢气可以帮助我们实现清洁，可持续的能源未来。

“表面终止会改变系统的界面能，或者顶层与主体之间的相互作用，”功能纳米材料中心（CFN）界面科学和催化小组的研究员，科学家Mingzhao Liu说。布鲁克海文国家实验室的美国能源部（DOE）科学用户设施办公室。“以铋为末端的表面表现出的光电流比以钒为末端的表面高50％。”

芝加哥大学和美国能源部阿贡国家实验室的共同通讯作者朱利娅·加利说：“要从原子级的角度了解表面改性的起源来研究表面改性是非常具有挑战性的，这需要紧密地进行实验和理论研究。

威斯康星大学麦迪逊分校的共同通讯作者Kyoung-Shin Choi补充说：“这还需要制备具有定义明确的表面的高质量样品，以及独立于大块表面进行探测的方法。”

功能纳米材料中心（CFN）的近端探针工厂中的多探针表面分析系统。

Choi和Galli，分别是太阳能燃料领域的实验和理论领导者，已经合作了数年，以设计和优化用于生产太阳能燃料的光电极。最近，他们着手设计策略以阐明电极表面成分的影响，并且作为CFN用户，他们与Liu进行了合作。

Liu表示：“ Choi集团在光电化学领域的专业知识，Galli集团在理论和计算领域的专业知识以及CFN在材料合成和表征方面的专业知识对这项研究的成功至关重要。”

钒酸铋是一种有前景的用于太阳能水分解的电极材料，因为它强烈吸收各种波长范围内的阳光，并且在水中保持相对稳定。在过去的几年中，Liu完善了一种精确生长这种材料的单晶薄膜的方法。高能激光脉冲撞击真空室内的多晶钒酸铋表面。来自激光的热量使原子蒸发并降落在基材（基板）的表面上，形成薄膜。

“要了解不同的表面终端对光电化学活性的影响，您需要能够制备出具有相同取向和整体组成的结晶电极，”斯托尼布鲁克大学研究生研究员，研究员刘晨宇（Chenyu Zhou）解释说。“您想将苹果与苹果进行比较。”

随着生长，钒酸铋的表面上铋与钒的比例几乎为一比一，钒含量略高。为了制造出富含铋的表面，科学家将一个样品放在氢氧化钠（一种强碱）溶液中。

与崔一起工作的研究生第一作者李东浩说：“通过这种基本溶液，钒原子很容易从表面剥离。”“我们优化了碱浓度和样品浸入时间，以仅去除表面钒原子。”

为了确认这种化学处理改变了上表面层的成分，科学家们转向了CFN上的低能离子散射光谱（LEIS）和扫描隧道显微镜（STM）。

在LEIS中，具有低能量的带电原子（在这种情况下为氦气）直接对准样品。当氦离子撞击样品表面时，它们会以特征性模式散布，具体取决于最顶部存在的原子。根据研究小组的LEIS分析，处理过的表面几乎全部包含铋，铋与钒的比例为80:20。

Liu解释说：“其他技术，例如X射线光电子能谱学也可以告诉您表面上有什么原子，但是信号来自表面的几层。”“这就是为什么LEIS在这项研究中如此重要的原因-它允许我们仅探测表面原子的第一层。”

在STM中，在非常接近样品表面的位置扫描导电尖端，同时测量在尖端和样品之间流动的隧穿电流。通过结合这些测量，科学家可以绘制表面原子的电子密度（电子在空间中的排列方式）。比较治疗前后的STM图像，研究小组发现分别对应于富钒和富铋表面的原子排列方式存在明显差异。

“将STM和LEIS结合使用，我们可以识别出这种光电极材料最表面层的原子结构和化学元素，” CFN界面科学和催化小组的科学家，多探针表面经理肖彤说。实验中使用的分析系统。“这些实验证明了该系统在基础研究应用中探索表面主导的结构-特性关系的强大功能。”

基于从第一性原理计算（基于物理基本定律）得出的表面结构模型模拟的STM图像与实验结果非常吻合。

“我们的第一性原理计算提供了大量信息，包括表面的电子性质和原子的确切位置，”合著者和加里集团的博士后研究员Wennie Wang说。“这些信息对于解释实验结果至关重要。”

在证明化学处理成功地改变了第一层原子之后，研究小组比较了光处理样品和未处理样品的电化学行为。

崔说：“我们的实验和计算结果均表明，富铋表面导致更有利的表面能，并改善了水分解的光电化学性能。”“此外，这些表面将光电压推至更高的值。”

很多时候，光（光子）粒子无法为水分解提供足够的能量，因此需要外部电压来帮助进行化学反应。从能源效率的角度来看，您希望施加尽可能少的额外电力。

刘说：“钒酸铋吸收光时，会产生电子和称为空穴的电子空位。”“这两种电荷载体都需要具有足够的能量来进行水分解反应所需的化学反应：将水氧化为氧气的空穴，以及将水还原为氢气的电子。虽然空穴具有足够的能量，但电子却没有。我们发现，铋封端的表面将电子提升到更高的能量，使反应更容易。”

由于空穴可以很容易地与电子复合而不是转移到水中，因此该团队进行了额外的实验，以了解表面终止对光电化学性质的直接影响。他们测量了两个样品用于亚硫酸盐氧化的光电流。亚硫酸盐是硫和氧的化合物，是一种“空穴清除剂”，这意味着它可以在空穴与电子复合之前迅速接受空穴。在这些实验中，铋端表面也增加了产生的光电流。

刘说：“重要的是电极表面应尽快进行这种化学反应。”“接下来，我们将探索在富含铋的表面上施加助催化剂如何帮助加快向水中的空穴输送。”

有关此研究的更多信息，请阅读通过分解水制得的太阳能燃料的突飞猛进。

参考：“表面组成对BiVO4的界面能和光电化学性质的影响”，作者李东浩，王文妮，周晨雨，肖彤，刘明照，朱莉娅·加利和崔京新，2021年2月18日，自然能源。DOI：
10.1038 / s41560-021-00777-x

Choi和Galli的工作得到了美国国家科学基金会的支持，并使用了芝加哥大学研究计算中心的计算资源。CFN的工作得到了美国能源部科学办公室的支持，并在材料合成与表征和近端探针设施中进行。