在应对气候变化的斗争中，科学家们一直在寻找用氢燃料等无碳替代品替代化石燃料的方法。一种被称为光电化学电池 (PEC) 的装置有可能通过人工光合作用生产氢燃料，这是一种新兴的可再生能源技术，它利用来自阳光的能量来驱动化学反应，例如将水分解成氢和氧。
PEC 成功的关键不仅在于其光电极与光反应产生氢气的能力，还在于产生氧气。很少有材料能做到这一点，根据理论，一种叫做钒酸铋 (BiVO 4 )的无机材料是一个很好的候选材料。
然而，这项技术还很年轻，该领域的研究人员一直在努力制造一种在 PEC 设备中发挥其潜力的 BiVO 4光电极。现在，正如《Small》杂志报道的那样，由能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)和能源部能源创新中心人工光合作用联合中心 (JCAP) 的科学家领导的一个研究小组获得了重要的新见解了解纳米级(十亿分之一米)可能发生的事情，以阻止 BiVO 4。
“当你制造一种材料，比如像钒酸铋这样的无机材料时，你可能会假设，仅仅用肉眼观察它，材料在整个过程中都是同质的，”资深作者弗朗西斯卡托马说，他是该研究所的一名科学家。伯克利实验室化学科学部的 JCAP。“但是当你可以在纳米尺度上看到材料的细节时，突然间你认为是同质的实际上是异质的——具有不同性质和化学成分的集合。如果你想提高光电极材料的效率，你需要了解更多关于纳米级发生的事情。”
X 射线和模拟使图像更清晰
在实验室指导研发计划支持的先前研究中，Toma 和主要作者 Johanna Eichhorn 在伯克利实验室的 JCAP 实验室使用原子力显微镜开发了一种特殊技术，以捕获纳米级钒酸铋薄膜的图像，以了解材料的特性会影响其在人工光合作用装置中的性能。(目前在德国慕尼黑工业大学沃尔特肖特基研究所工作的 Eichhorn 在研究时是伯克利实验室化学科学部门的研究员。)
目前的研究建立在这项开创性工作的基础上，在伯克利实验室的高级光源 (ALS) ( als.lbl.gov/ ) 中使用扫描透射 X 射线显微镜 ( STXM )，这是一个同步加速器用户设施，以绘制薄-薄膜半导体材料，由钼钒酸铋 (Mo-BiVO 4 )制成。
研究人员使用钒酸铋作为光电极的例子，因为该材料可以吸收太阳光谱中可见光范围内的光，并且当与催化剂结合时，其物理特性使其能够在水分解反应中制造氧气。Toma 解释说，钒酸铋是少数可以做到这一点的材料之一，在这种情况下，向 BiVO 4添加少量钼会以某种方式提高其性能。
当水分解成 H2 和 O2 时，需要形成氢-氢和氧-氧键。但是，如果水分解的任何步骤不同步，就会发生不需要的反应，从而导致腐蚀。“如果你想将一种材料放大成商用的水分解装置，没有人想要降解的东西。所以我们想开发一种技术来绘制出纳米级哪些区域最适合制造氧气，”Toma 解释说.
Toma 和她的团队与 ALS 工作人员科学家 David Shapiro 合作，使用 STXM 对 Mo-BiVO 4薄膜中的晶粒进行高分辨率纳米级测量，因为材料因光和电解质引发的水分解反应而降解.
“材料在纳米尺度上的化学异质性通常会导致有趣和有用的特性，很少有显微镜技术可以在这种尺度上探测材料的分子结构，”夏皮罗说。“高级光源中的 STXM 仪器是非常灵敏的探针，可以在高空间分辨率下无损地量化这种异质性，因此可以更深入地了解这些特性。”
Molecular Foundry 临时部门主管 David Prendergast 和 Foundry 前博士后研究员 Sebastian Reyes-Lillo通过开发计算工具来分析每个分子的光谱“指纹” ，帮助团队了解 Mo-BiVO 4如何响应光。Reyes-Lillo 目前是智利安德烈斯贝洛大学的教授，也是 Molecular Foundry 的用户。分子铸造厂是纳米级科学研究中心的国家用户设施。
“Prendergast 的技术非常强大，”Toma 说。“通常当你拥有由不同原子组成的复杂异质材料时，你得到的实验数据并不容易理解。这种方法告诉你如何解释这些数据。如果我们对数据有更好的理解，我们可以制定更好的策略用于使 Mo-BiVO 4光电极在水分解过程中不易受到腐蚀。”
Reyes-Lillo 补充说，Toma 对这项技术的使用和 JCAP 的工作使人们能够更深入地了解 Mo-BiVO 4，否则这是不可能的。“该方法揭示了材料局部电子结构的元素特定化学指纹，使其特别适合研究纳米尺度的现象。我们的研究代表了提高半导体 BiVO 4基材料性能的一步，用于太阳能燃料技术， “ 他说。
研究人员接下来计划通过在材料运行时拍摄 STXM 图像来进一步开发该技术，以便他们能够了解材料作为模型 PEC 系统中的光电极如何发生化学变化。
“我为这项工作感到非常自豪。我们需要找到化石燃料的替代解决方案，我们需要可再生的替代品。即使这项技术明天还没有为市场做好准备，我们的技术以及可供用户使用的强大仪器在先进光源和分子铸造厂——将为可再生能源技术开辟新的途径，以发挥作用。”