新型人工光合作用设备提高了太阳能燃料的商业可行性

一个研究小组开发了一种新型人工光合作用设备，该装置具有非凡的稳定性和寿命，因为它可以将阳光和二氧化碳转化为两种有前途的可再生燃料来源——乙烯和氢气。这大大提高了太阳能燃料的商业可行性。研究成果发表在权威杂志自然能源上。

研究团队设计了一种模型太阳能燃料装置，称为光电化学 (PEC) 电池，由氧化铜或氧化亚铜 (Cu ₂ O) 制成，这是一种很有前途的人造光合作用材料。

氧化亚铜长期以来一直困扰着科学家，因为这种材料的强度——对光的高反应性——也是它的弱点，因为光会导致材料在暴露几分钟内分解。但是，尽管氧化亚铜不稳定，但它是人工光合作用的最佳候选材料之一，因为它相对便宜，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途的材料的工作条件，研究团队在使用前后仔细观察了氧化亚铜的晶体结构。

Molecular Foundry 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，将二氧化碳还原为可再生化学品或燃料，如乙烯和氢气——但水中含有氢氧根离子，这会导致不稳定。

但另一项实验，这次在高级光源中使用一种称为环境压力 X 射线光电子能谱 (APXPS) 的技术，揭示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，氢氧根离子是带负电荷的离子，由氧原子与氢原子结合。

研究人员说，“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，而在于整个反应环境，包括电解液。”

发现意外的腐蚀线索

在电子器件中，电子-空穴对分离成电子和空穴以产生电荷。但是一旦分离，如果不使用电子和空穴来发电，例如在将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将其降解。

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。但令研究人员惊讶的是，在国家能源研究科学计算中心 (NERSC)进行的计算机模拟表明，空穴也有一定影响。

模拟还暗示了一种潜在的解决氧化亚铜固有不稳定性的方法：氧化亚铜 PEC 顶部涂有银，下面涂有金/氧化铁。这种“Z 型方案”的灵感来自于自然光合作用中发生的电子转移，应该创建一个“漏斗”，将空穴从氧化亚铜发送到金/氧化铁“汇”。此外，界面处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复合来稳定系统。

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 型人工光合作用设备的物理模型。令他们高兴的是，该设备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。这是一个令人兴奋的结果。

研究人员希望他们的研究工作鼓励人们设计出适应人工光合作用设备中半导体材料内在特征的策略。

研究人员计划继续使用他们的新方法开发用于液体燃料生产的新型太阳能燃料设备。获取更多前沿科技 研究进展 访问：https://byteclicks.com

这项工作得到了美国能源部科学办公室的支持。

一种称为光电化学电池的模型太阳能燃料装置