透過人工光合作用，發現顯著地提高了乙烯和氫氣生產的穩定性。
一個研究小組開發了一種新的人工光合作用裝置元件。具有顯著的穩定性和壽命，因為它選擇性地將陽光和二氧化碳轉化為兩種有希望的可再生燃料--乙烯和氫。
研究人員的發現，他們最近發表在雜誌上自然能，展示裝置如何隨著使用而退化，然後演示如何減輕它。作者還提供了新的洞察電子和電荷載流子稱為“空穴”如何導致人工光合作用的退化。
高階作者說：“通過了解材料和裝置是如何在操作中發生變化的，我們可以設計出更耐用的方法，從而減少浪費。”弗朗西絲卡·托馬的工作人員液體日光聯盟(LISA)伯克利實驗室化學科學部.
弗朗西絲卡·托馬(左)和劉貴吉在伯克利實驗室液體日光聯盟大樓外。(來源：索爾·斯威夫特/伯克利實驗室)
在目前的研究中，Toma和她的團隊設計了一種模型太陽能燃料裝置，稱為由銅(I)氧化物或氧化亞銅(Cu2O)製成的光電化學(PEC)電池，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，因為這種物質的強度--它對光的高反應性--也是它的弱點，因為光會在幾分鐘內使材料分解。但氧化亞銅雖然不穩定，但由於其價格相對低廉，並具有吸收可見光的特性，是人工光合作用的最佳候選材料之一。
為了更好地瞭解如何最佳化這種有前途的材料的工作條件，托馬和她的團隊仔細觀察了氧化亞銅在使用前後的晶體結構。
電子顯微鏡實驗分子鑄造證實氧化亞銅在接觸光和水後幾分鐘內會迅速氧化或腐蝕。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的化學物質或燃料，如乙烯和氫--但水中含有氫氧化物離子，這會導致不穩定性。
但是另一個實驗，這一次使用了一種叫做環境壓力X射線光電子能譜(Apxps)的技術。先進光源，揭示了一個意想不到的線索：氧化亞銅在含有氫氧化物的水中腐蝕得更快，氫氧化物是由與氫原子結合的氧原子組成的負電荷離子。
“我們知道它是不穩定的，但我們驚訝地發現它到底有多不穩定，”他說。托馬。“當我們開始這項研究時，我們想知道，也許更好的太陽能燃料裝置的關鍵不在於材料本身，而在於反應的整體環境，包括電解質。”
“這表明氫氧化物有助於腐蝕。另一方面，我們認為，如果你消除了腐蝕的根源，你就可以消除腐蝕。“第一作者解釋道。劉桂吉她是伯克利實驗室化學科學部的一個專案科學家。
發現意外的腐蝕線索
在電子裝置中，電子空穴對分離成電子和空穴來產生電荷.但是一旦分開，如果電子和空穴不被用來發電，比如在光伏裝置中將陽光轉換成電，或者在人工光合作用裝置中進行反應，它們就可以與材料反應並降解它。
莉薩專案科學家劉貴吉負責調整光電化學電池。(來源：索爾·斯威夫特/伯克利實驗室)
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。長期以來，科學家們一直認為電子是氧化亞銅腐蝕的唯一罪魁禍首。但令Toma和Liu感到驚訝的是，計算機模擬是在國家能源研究科學計算中心(NERSC)表明洞也起了一定的作用。劉說：“在我們的研究之前，大多數人認為氧化亞銅中光誘導的降解主要是由電子引起的，而不是由空穴引起的。”
模擬還暗示了氧化亞銅固有的不穩定性的一種潛在的解決辦法：一種表面塗有銀的氧化亞銅和下面的金/氧化鐵。這個“Z方案”是受自然光合作用中發生的電子轉移的啟發，它應該創造一個“漏斗”，把氧化亞銅的孔送到金/氧化鐵的“水槽”。此外，介面材料的多樣性應該透過提供額外的電子來與氧化亞銅的空穴重新結合來穩定系統，托馬解釋說。
為了驗證他們的模擬，研究人員在伯克利實驗室的toma的Lisa實驗室設計了一個Z方案的人工光合作用裝置的物理模型。令他們高興的是，該裝置以前所未有的選擇性生產了乙烯和氫，並持續了超過24小時。“這是一個令人興奮的結果。”說托馬.
“我們希望我們的工作鼓勵人們設計出適應人工光合作用裝置中半導體材料內在特性的策略。”劉某.
研究人員計劃利用他們的新方法，繼續開發用於液體燃料生產的新型太陽能燃料裝置。托馬總結道：“瞭解材料在人工光合作用裝置中的作用是如何轉變的，可以起到預防性修復和延長活動的作用。”
其他合著者有範政，李俊瑞，曾國松.葉一帆，拉森，雅野俊子，伊桑·克魯姆林，喬爾·艾格，王林旺.
液態陽光聯盟是能源部能源創新中心。先進光源、分子鑄造和NERSC是伯克利實驗室的使用者設施。
這項工作得到了能源部科學辦公室的支援。
