美国劳伦斯伯克利国家实验室的一个研究小组已经开发出一种新的人工光合作用设备组件，它具有显著的稳定性和寿命，因为它可以选择性地将阳光和二氧化碳转化为两种有前景的可再生燃料来源--乙烯和氢气。
研究人员最近在《自然-能源》杂志上报告了他们的研究结果，揭示了该装置是如何随着使用而退化的，然后展示了如何缓解这种退化。作者还对电子和被称为“空穴”的电荷载体如何促成人工光合作用的退化提供了新的见解。
高级作者Francesca Toma说：“通过了解材料和设备在运行中如何转变，我们可以设计出更耐用的方法，从而减少浪费，”他是液体阳光联盟（LiSA）伯克利实验室化学科学部的一名职员科学家。
在目前的研究中，Toma和她的团队设计了一个被称为光电化学（PEC）电池的模型太阳能燃料装置，该电池由氧化铜或氧化亚铜制成，是一种有前景的人工光合作用材料。
氧化亚铜长期以来一直困扰着科学家，因为这种材料的优点--对光的高反应性--也是它的弱点，因为光会使这种材料在曝光的短短几分钟内就会分解。但是，尽管它不稳定，氧化亚铜是人工光合作用的最佳候选材料之一，因为它的价格相对低廉，并且具有吸收可见光的合适特性。
为了更好地了解如何优化这种有前景的材料的工作条件，Toma和她的团队仔细观察了氧化亚铜使用前后的晶体结构。
分子铸造厂的电子显微镜实验证实，氧化亚铜在暴露于光和水的几分钟内就会迅速氧化或被腐蚀。在人工光合作用研究中，研究人员通常使用水作为电解质，将二氧化碳还原成可再生化学品或燃料，如乙烯和氢气--但水含有氢氧根离子，导致不稳定。
但是通过另一项实验，这次是使用高级光源的一种叫做环境压力X射线光电子能谱（APXPS）的技术，研究人员发现了一个意想不到的线索：氧化亚铜在含有氢氧根离子的水中腐蚀得更快，氢氧根离子是由一个氧原子与一个氢原子结合而成的带负电的离子。
“我们知道它是不稳定的--但是我们惊讶地发现它到底有多不稳定，”Toma说。“当我们开始这项研究时，我们想，也许一个更好的太阳能燃料装置的关键不在于材料本身，而在于反应的整体环境，包括电解液。”
“这表明，氢氧化物有助于腐蚀。另一方面，我们推断，如果你消除了腐蚀源，你就消除了腐蚀，”第一作者、伯克利实验室化学科学部的LiSA项目科学家Guiji Liu解释说。
揭开腐蚀的意外线索
在电子设备中，电子-空穴对分离成电子和空穴以产生电荷。但是一旦分离，如果电子和空穴不用于发电，例如在将太阳光转化为电能的光伏设备中，或在人工光合作用设备中进行反应，它们就会与材料发生反应并使其退化。
在人工光合作用中，如果控制不当，这种重组会腐蚀氧化亚铜。科学家们长期以来一直认为电子是造成氧化亚铜腐蚀的唯一原因。但令研究人员惊讶的是，在美国国家能源研究科学计算中心（NERSC）进行的计算机模拟显示，空穴也起到了一定作用。研究人员说：“在我们的研究之前，大多数人认为光诱导的氧化亚铜降解主要是由电子引起的，而不是空穴。”
模拟结果还暗示了一个解决氧化亚铜固有不稳定性的潜在办法：在氧化亚铜PEC上面涂上银，下面是金/铁的氧化物。这种 “Z方案”的灵感来自于自然光合作用中发生的电子转移，它应该创造一个 “漏斗”，将孔从氧化亚铜送到金/铁氧化物的“水槽”。Toma解释说，此外，界面上材料的多样性应该通过提供额外的电子与氧化亚铜的空穴重新结合来稳定系统。
为了验证他们的模拟结果，研究人员在伯克利实验室Toma的LiSA实验室设计了一个Z-scheme人工光合作用装置的物理模型。令他们高兴的是，该装置以前所未有的选择性生产乙烯和氢气--而且持续时间超过24小时。"这是一个令人激动的结果，"托马说。
"我们希望我们的工作能鼓励人们在人工光合作用装置中设计出适应半导体材料固有特性的策略。
研究人员计划继续他们的工作，通过使用他们的新方法开发新的太阳能燃料装置，用于生产液体燃料。Toma总结说：“了解材料在人工光合作用装置中运作时如何转变，可以实现预防性修复和延长活动时间。”