分解水制得的太阳能燃料的突破性提振

科学家们同时使用计算机和显微镜来提出一种潜在地提高设备性能的方法，该设备利用太阳分解水并产生氢作为可持续的燃料。

普利兹克分子工程学院的研究可以帮助使氢成为有用的，可持续的燃料。

氢气是一种非常强大的燃料，其成分无处不在-在纯净的老水中。研究人员希望能够将其广泛用作清洁和可持续的能源。

然而，有一个陷阱是需要大量的能量来分解水和制氢。因此，科学家们一直在致力于制造光电极材料，这些材料可以利用太阳能分解水，产生一种“太阳能”，可以将其储存起来以备后用。

芝加哥大学，威斯康星大学麦迪逊分校和布鲁克海文国家实验室的科学家发表了在制造此类光电极方面的新突破。他们的研究发表在2021年2月18日的《自然能源》上，证明了修饰电极表面最顶层的原子可以显着提高其性能。

“我们的研究结果对于理解和改善用于太阳能燃料生产的光电极至关重要，” Liew家族的分子工程教授和UChicago的化学教授，阿贡国家实验室的高级科学家，论文的共同作者朱利亚·加利（Giulia Galli）说。 。

威斯康星大学麦迪逊分校化学教授，共同通讯作者崔京信补充说：“我们所做的每一次改进都使我们更加接近于可持续未来燃料的承诺。”

Galli和Choi分别是太阳能燃料领域的理论和实验领导者，并且已经合作了数年，以设计和优化用于生产太阳能燃料的光电极。为了了解电极表面成分的影响，他们与芝加哥大学的校友刘明照（Ming's Liu），MS’03，PhD’07，是布鲁克海文国家实验室功能纳米材料中心的研究员。

光电极的工作原理是吸收阳光中的能量，从而产生可以将水分解为氧气和氢气的电位和电流。

该团队研究了一种称为钒酸铋的光电极材料，该材料很有前景，因为它可以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。他们特别希望研究电极表面。“对散装材料的性能进行了广泛的研究；但是，表面对水分解的影响很难确定。”该论文的共同通讯作者刘解释说。

“我们所做的每一项改进都使我们更加接近可持续的未来燃料的承诺。”

—威斯康星大学麦迪逊分校化学系教授Kyoung-Shin Choi

在布鲁克黑文，刘和研究生周辰宇完善了一种方法，用于生长钒酸铋作为具有明确定义的方向和表面结构的光电极。“但是，”周说，“我们知道我们的光电极表面上的钒比铋中的钒略多。”该小组想知道一个更富铋的版本是否会有更好的性能。

在UW–Madison，Choi和研究生Lee Dongho找到了一种改变表面成分而又不改变其余电极组成的方法，他们制造了一个表面上有更多铋原子的样品。

为了在分子水平上了解发生了什么，使用功能纳米材料中心的特殊仪器（包括扫描隧道显微镜）检查了两种不同的表面成分。Galli组的博士后学者Wennie Wang比较了实验和模拟的显微镜图像，并确定了与实验样品非常相似的表面结构模型。

Wang说：“我们的量子力学计算提供了大量信息，包括表面的电子特性和原子的精确位置。”“事实证明，这些信息对于解释实验至关重要。”

接下来，研究小组比较了光线照射到表面时发生的情况。他们发现，铋原子过多的表面更有利于水分解反应。

Lee说：“钒酸铋吸收光时，会产生电子和称为空穴的电子空位。”“我们发现铋封端的表面将电子提升到更高的能量，并且还导致电子与空穴的分离更加有效-总体而言，表面上存在更多的铋原子有利于水分解反应。”

Choi说：“我们紧密结合的实验和理论研究对于获得原子级的了解，即对表面改性如何改变光电极性能的理解至关重要。”

“我们由国家科学基金会资助的合作非常有成果，”加利补充说。

接下来，研究人员将探索钒酸铋光电极如何与施加在光电极表面顶部以促进水氧化的催化剂层相互作用。

“我们相信从我们的研究中获得的结果将成为未来研究的重要基础，”刘说。

加利补充说：“我们发现了水分解这一复杂难题中的重要一环，我们期待继续探索改善太阳能燃料生产的方法，以替代化石燃料。”

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

这项工作由美国国家科学基金会（National Science Foundation）资助，并使用了芝加哥大学研究计算中心的计算资源。Brookhaven的工作是在“材料合成与表征和近端探针”用户设施中进行的，并由能源部科学办公室资助。