三年前，密歇根大学的科学家发现了一种由硅和氮化镓(Si / GaN)制成的人造光合作用装置，该装置将阳光转化为燃料电池的无碳氢，其效率和稳定性是先前技术的两倍。

现在，能源部(DOE)的劳伦斯·伯克利国家实验室(伯克利实验室)的科学家与密歇根大学和劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(LLNL)合作发现了Si / GaN令人惊讶的，自我改进的特性有助于该材料将光和水转化为无碳氢的高效和稳定的性能。他们的发现发表在《自然材料》杂志上，可以从根本上促进人工光合作用技术和氢燃料电池的商业化。

能源部劳伦斯·伯克利国家实验室(伯克利实验室)化学科学部的资深科学家弗朗西斯卡·托玛说：“我们的发现是真正的改变游戏规则的人。” 她说，通常，太阳能系统中的材料会降解，变得不稳定，因此产生氢的效率也会降低。“但是我们发现了Si / GaN的一种不寻常的特性，使其以某种方式变得更加高效和稳定。我从未见过如此的稳定性。”

以前的人工光合作用材料要么是缺乏耐久性的优异光吸收剂，要么是光吸收剂。或者它们是缺乏光吸收效率的耐用材料。

但是，硅和氮化镓是廉价的廉价材料，被广泛用作LED(发光二极管)和太阳能电池等日常电子产品中的半导体。密歇根州在十年前发明了Si / GaN人造光合作用器件。

当Mi的Si / GaN装置实现破纪录的3%的太阳能转化效率时，他想知道这种普通材料在异国情调的人造光合作用装置中如何能如此出色地工作，因此他向Toma寻求帮助。

HydroGEN：采用团队科学方法研究太阳能

Mi学会了Toma在先进显微镜技术方面的专业知识，该技术是通过由DOE氢与燃料电池技术办公室支持的五国实验室联盟HydroGEN探测人造光合作用材料的纳米级(十亿分之一米)特性的。由国家可再生能源实验室领导，以促进国家实验室，学术界和工业界之间的合作，以开发先进的水分解材料。“支持工业界和学术界使用先进的水分解材料以及国家实验室的能力之间的这些相互作用，正是形成Hydrogen的原因-这样我们就可以将针头转移到清洁氢气生产技术上，”伯克利实验室的Hydrogen和燃料电池技术实验室项目经理兼HydroGEN副总监。

Toma和首席作者曾国松是伯克利实验室化学科学系的博士后学者，他怀疑GaN可能在该装置产生氢气的效率和稳定性方面具有非同寻常的潜力。

博士后学者曾国松和研究员科学家弗朗西斯卡·托玛(Francesca Toma)都在伯克利实验室化学科学部工作，测试了一种由氮化镓制成的人造光合作用装置。Toma和Zeng并没有发现随着时间的推移而退化(这对于将水和光转变为氢燃料的设备来说很典型)，而是发现该设备有所改进。图片提供：Thor Swift / Berkeley Lab

为了找到答案，曾庆红在Toma实验室进行了光电导原子力显微镜实验，以测试GaN光电阴极如何有效地将吸收的光子转化为电子，然后吸收这些自由电子将水分解成氢，然后材料开始降解并变少。稳定高效。

他们预计仅几个小时后，材料的光子吸收效率和稳定性就会急剧下降。曾说，令他们惊讶的是，他们发现该材料的光电流提高了2-3个数量级，这些光来自沿着GaN晶粒“侧壁”的微小刻面。更令人困惑的是，即使材料的整体表面变化不大，这种材料也随着时间的推移提高了效率。他说：“换句话说，材料不会变差，而是变好了。”

为了收集更多线索，研究人员在伯克利实验室分子铸造厂的国家电子显微镜中心招募了扫描透射电子显微镜(STEM)和角度相关的X射线光子光谱仪(XPS)。

这些实验表明，沿着一些侧壁形成了一个与镓，氮和氧(或氮氧化镓)混合的1纳米层。托马说，已经发生了化学反应，增加了“用于制氢反应的活性催化位点”。

共同作者Tadashi Ogitsu和Tuan Anh Pham在LLNL进行的密度泛函理论(DFT)模拟证实了他们的观察结果。Ogitsu说：“通过计算材料表面特定部位化学物质分布的变化，我们成功地发现了一种表面结构，该结构与作为氢释放反应位点的氮氧化镓的发展有关。” “我们希望我们的发现和方法(由HydroGEN财团实现的紧密集成的理论与实验合作)将被用于进一步改善可再生制氢技术。”

Mi补充说：“我们一直致力于这种材料的研究已经十多年了，我们知道它是稳定且有效的。但是，这项合作有助于确定其变得更强大和高效而不是退化的背后的基本机制。这项工作的发现将帮助我们以更低的成本构建更高效的人工光合作用设备。”

Toma表示，展望未来，她和她的团队希望在水分解光电化学电池中测试Si / GaN光阴极，Zeng还将尝试类似的材料，以更好地了解氮化物如何促进人造光合作用装置的稳定性。 -这是他们从未想到过的事情。

曾庆红说：“这完全令人惊讶。” “这没有道理-但是Pham的DFT计算为我们提供了验证观察结果所需的解释。我们的发现将帮助我们设计更好的人工光合作用设备。”

Toma说：“这是国家实验室与研究型大学之间前所未有的合作网络。” “ HydroGEN财团将我们召集在一起-我们的工作证明了国家实验室的团队科学方法如何能够帮助解决影响整个世界的重大问题。”