通过人工光合作用，发现显着地提高了乙烯和氢气生产的稳定性。
一个研究小组开发了一种新的人工光合作用装置组件。具有显著的稳定性和寿命，因为它选择性地将阳光和二氧化碳转化为两种有希望的可再生燃料--乙烯和氢。
研究人员的发现，他们最近发表在杂志上自然能，展示设备如何随着使用而退化，然后演示如何减轻它。作者还提供了新的洞察电子和电荷载流子称为“空穴”如何导致人工光合作用的退化。
高级作者说：“通过了解材料和设备是如何在操作中发生变化的，我们可以设计出更耐用的方法，从而减少浪费。”弗朗西丝卡·托马的工作人员液体日光联盟(LISA)伯克利实验室化学科学部.
弗朗西丝卡·托马(左)和刘贵吉在伯克利实验室液体日光联盟大楼外。(来源：索尔·斯威夫特/伯克利实验室)
在目前的研究中，Toma和她的团队设计了一种模型太阳能燃料装置，称为由铜(I)氧化物或氧化亚铜(Cu2O)制成的光电化学(PEC)电池，这是一种很有前途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，因为这种物质的强度--它对光的高反应性--也是它的弱点，因为光会在几分钟内使材料分解。但氧化亚铜虽然不稳定，但由于其价格相对低廉，并具有吸收可见光的特性，是人工光合作用的最佳候选材料之一。
为了更好地了解如何优化这种有前途的材料的工作条件，托马和她的团队仔细观察了氧化亚铜在使用前后的晶体结构。
电子显微镜实验分子铸造证实氧化亚铜在接触光和水后几分钟内会迅速氧化或腐蚀。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的化学物质或燃料，如乙烯和氢--但水中含有氢氧化物离子，这会导致不稳定性。
但是另一个实验，这一次使用了一种叫做环境压力X射线光电子能谱(Apxps)的技术。先进光源，揭示了一个意想不到的线索：氧化亚铜在含有氢氧化物的水中腐蚀得更快，氢氧化物是由与氢原子结合的氧原子组成的负电荷离子。
“我们知道它是不稳定的，但我们惊讶地发现它到底有多不稳定，”他说。托马。“当我们开始这项研究时，我们想知道，也许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，包括电解质。”
“这表明氢氧化物有助于腐蚀。另一方面，我们认为，如果你消除了腐蚀的根源，你就可以消除腐蚀。“第一作者解释道。刘桂吉她是伯克利实验室化学科学部的一个项目科学家。
发现意外的腐蚀线索
在电子设备中，电子空穴对分离成电子和空穴来产生电荷.但是一旦分开，如果电子和空穴不被用来发电，比如在光伏装置中将阳光转换成电，或者在人工光合作用装置中进行反应，它们就可以与材料反应并降解它。
莉萨项目科学家刘贵吉负责调整光电化学电池。(来源：索尔·斯威夫特/伯克利实验室)
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。长期以来，科学家们一直认为电子是氧化亚铜腐蚀的唯一罪魁祸首。但令Toma和Liu感到惊讶的是，计算机模拟是在国家能源研究科学计算中心(NERSC)表明洞也起了一定的作用。刘说：“在我们的研究之前，大多数人认为氧化亚铜中光诱导的降解主要是由电子引起的，而不是由空穴引起的。”
模拟还暗示了氧化亚铜固有的不稳定性的一种潜在的解决办法：一种表面涂有银的氧化亚铜和下面的金/氧化铁。这个“Z方案”是受自然光合作用中发生的电子转移的启发，它应该创造一个“漏斗”，把氧化亚铜的孔送到金/氧化铁的“水槽”。此外，界面材料的多样性应该通过提供额外的电子来与氧化亚铜的空穴重新结合来稳定系统，托马解释说。
为了验证他们的模拟，研究人员在伯克利实验室的toma的Lisa实验室设计了一个Z方案的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了乙烯和氢，并持续了超过24小时。“这是一个令人兴奋的结果。”说托马.
“我们希望我们的工作鼓励人们设计出适应人工光合作用装置中半导体材料内在特性的策略。”刘某.
研究人员计划利用他们的新方法，继续开发用于液体燃料生产的新型太阳能燃料装置。托马总结道：“了解材料在人工光合作用装置中的作用是如何转变的，可以起到预防性修复和延长活动的作用。”
其他合著者有范政，李俊瑞，曾国松.叶一帆，拉森，雅野俊子，伊桑·克鲁姆林，乔尔·艾格，王林旺.
液态阳光联盟是能源部能源创新中心。先进光源、分子铸造和NERSC是伯克利实验室的用户设施。
这项工作得到了能源部科学办公室的支持。
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