分裂水的研究——纳米成像是关键

为了实现人工光合作用，将阳光、水和二氧化碳转化为燃料，就像植物一样，研究人员不仅需要识别材料以有效地进行光电化学水分解，而且要理解为什么某种物质可能有作用或可能没有。现在，劳伦斯伯克利国家实验室（Berkeley Lab）的科学家们开创了一种技术，它使用纳米级成像技术来了解局部纳米尺度特性如何影响材料的宏观性能。 (,
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他们的研究题目：“在阳极水分裂过程中电荷载流子传输的纳米尺度成像研究”，刚刚发表在《自然通信Nature Communications》杂志上。主要研究人员是伯克利实验室化学科学部的Johanna Eichhorn和Francesca Toma。 Ec|#i  
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“这项技术将材料的形态与其功能联系起来，并给出了电荷传输机制的洞察力，或者电荷是如何在纳米尺度内移动的，”Toma说，他同时也是人工光合作用联合中心的研究员，后者是一个能源技术的创新中心。 +Z+]Tqo  
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人工光合作用试图以仅以阳光、水和二氧化碳为输入的能量密集型燃料。这种方法的优点是，它不与食品库存竞争，不会产生或不产生温室气体排放。光电化学水分解系统需要专门的半导体，利用阳光将水分子分解为氢和氧。 1*s Lj#  
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钒酸铋已被证实是一种有前途的光阳极材料，它为氧化光电化学电池中的水提供电荷。“这种材料是一个例子，其中效率应该在理论上是好的，但在实验测试中，你实际上会观察到非常差的效率，”Eichhorn说。“其中的原因尚不完全清楚。”  z>!b
 
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研究人员使用光导原子力显微镜在样品的每个点上绘制电流，能够实现很高的空间分辨率。这种技术已经被用于分析太阳能电池材料的局部电荷传输和光电特性，但是还未经被用来理解光电化学材料中纳米尺度上的电荷载流子传输限制情况。 ;G?_^ 0  
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Eichhorn 和Toma在伯克利实验室的分子铸造厂工作，通过铸造厂的用户程序进行这些测量。他们发现，与材料的纳米形貌有关的性能有差异。 giv cq'L  
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Eichhorn说：“我们发现，在整个样本中，电荷的使用方式并不均匀，而是存在异质性。这些性能差异可以解释其宏观性能，当我们进行水分离时，即样品的总输出量。”
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为了理解这个特性，Toma给出了太阳能电池板的例子。“假设面板有22%的效率，“她说。“但是你能分辨出纳米级，在面板的每个点上，它会给你22%的效率吗？而这种技术能够分辨出来是否是这种情况，特别是对于光电化学材料。如果答案是否定的，那就意味着材料上的活性点会减少。在最好的情况下，它只会降低你的总效率，但是如果有更复杂的过程，你的效率可以降低很多。” %',. K)IR  
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对钒酸铋如何工作的理解的改进，也将允许研究人员合成新材料，这些材料能够更有效地驱动相同的反应。这项研究建立在Toma等人的研究中，在其中她能够分析和预测定义光电化学材料化学稳定性的机制。 $WDa}~j~^  
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Toma说，这些结果使科学家更接近于实现高效的人工光合作用。“现在我们知道如何测量这些材料中的局部光电流，这些材料的导电率很低。下一步是把所有这些放在液体电解质中，做完全一样的事情。我们有工具，现在我们知道如何解释结果，如何分析它们，这是向前迈出的重要第一步。” oY &r76  
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原文来源：https://phys.org/news/2018-07-nanoscale-imaging-yields-key-insights.html（实验帮译）