能源科技：調整電極表面以?xún)?yōu)化太陽(yáng)能燃料生產(chǎn)


通過(guò)實(shí)驗和理論的緊密耦合，科學(xué)家們在原子層面展示了光電電極表面成分如何變化在其光電化學(xué)性能中起著(zhù)至關(guān)重要的作用。來(lái)源：芝加哥大學(xué)
紐約州厄普頓，科學(xué)家已經(jīng)證明，改變電極表面最上層的原子可以對光解水反應產(chǎn)生顯著(zhù)的影響。正如他們近期在《自然·能源》（Nature Energy）雜志上所報道的，釩酸鉍電極表面有相對于釩更多的鉍時(shí)，吸收（同樣多）來(lái)自陽(yáng)光的能量，會(huì )產(chǎn)生更多的電流。這種光電流驅動(dòng)著(zhù)水分解成氧氣和氫氣的化學(xué)反應。氫氣可以?xún)Υ嫫饋?lái)，隨后用作清潔燃料。氫氣在燃料電池中與氧氣結合發(fā)電的過(guò)程中只生產(chǎn)水，這有助于我們實(shí)現清潔和可持續的能源未來(lái)。
“表面終端改變了系統界面的能量變化，或是頂層與內部的交互方式，”美國能源部（DOE）設立在布魯克黑文國家實(shí)驗室的科學(xué)用戶(hù)設施功能納米材料中心（CFN）中的一位界面科學(xué)和催化組的科學(xué)家，同時(shí)也是論文的通訊作者的Mingzhao Liu說(shuō)，“鉍端表面產(chǎn)生的光電流比釩端表面高50%”
芝加哥大學(xué)和DOE的Argonne國家實(shí)驗室的合著(zhù)者Giulia Galli說(shuō)："通過(guò)原子層面了解界面修飾的起源，研究其影響是極具挑戰性的，需要緊密結合的實(shí)驗和理論研究。
威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的聯(lián)合通訊作者Kyung-Shin Choi補充說(shuō)：“它還需要制備具有明確表面的高質(zhì)量樣品，以及獨立于本體探測表面的方法?！?br>

功能納米材料中心(CFN)近端探針設施的多探針表面分析系統。來(lái)源:布魯克海文國家實(shí)驗室
Choi和Galli分別是太陽(yáng)能燃料領(lǐng)域的實(shí)驗和理論前輩，他們多年來(lái)一直在合作設計和優(yōu)化用于生產(chǎn)太陽(yáng)能燃料的光電極。最近，他們著(zhù)手設計方案來(lái)闡明電極表面成分的影響，作為CFN用戶(hù)，他們與Liu也有合作。
"Choi團隊在光電化學(xué)方面的專(zhuān)業(yè)知識、Galli團隊在理論和計算方面的專(zhuān)業(yè)知識以及CFN在材料合成和特征方面專(zhuān)業(yè)知識的結合對研究的成功至關(guān)重要，"Liu說(shuō)。
釩酸鉍是一種很有前景的太陽(yáng)能水分解電極材料，因為它在一定波長(cháng)范圍內吸收陽(yáng)光的能力較強，并且在水中保持相對穩定。在過(guò)去的幾年里，Liu已經(jīng)完善了一種精確生長(cháng)這種材料的單晶薄膜的方法。在真空室中，高能激光脈沖沖擊多晶釩酸鉍的表面。激光產(chǎn)生的熱量使原子蒸發(fā)并落在基板表面形成薄膜。
“要了解不同的表面終端如何影響光電化學(xué)活性，你需要準備具有相同取向和本體組合物的晶體電極”，一位來(lái)自石溪大學(xué)、與Liu合作的研究生Chenyu Zhou解釋道，“你需要進(jìn)行同類(lèi)比較?！?br> 隨著(zhù)晶體的生長(cháng)，釩酸鉍表面的鉍與釩的比例幾乎是1比1，釩略多一些。為了創(chuàng )造一個(gè)富含鉍的表面，科學(xué)家們將樣品放入一種強堿性的氫氧化鈉溶液中。
“釩原子很容易被這種堿性溶液從表面剝離，” Choi的研究生，論文的第一作者Dongho Lee說(shuō)， “我們優(yōu)化了堿濃度和樣品浸泡時(shí)間，只去除表面的釩原子?！?br> 為了證實(shí)這種化學(xué)處理改變了表層的組成，科學(xué)家們在CFN中使用了低能離子散射光譜(LEIS)和掃描隧道顯微鏡(STM)。
在LEIS中，帶電的低能原子，在本例中是氦，瞄準樣品。當氦離子擊中樣品表面時(shí)，它們會(huì )以一種特定的模式散射開(kāi)來(lái)，散射模式的表現取決于樣品表面占據的原子。根據研究小組的LEIS分析，經(jīng)過(guò)處理的表面幾乎都是鉍，鉍與釩的比例為80比20。
“其他技術(shù)，如X射線(xiàn)光電子光譜，也可以告訴你表面上的原子是什么，但其信號來(lái)源包括樣品表面幾層結構，”Liu解釋道?！斑@就是為什么LEIS在這項研究中如此重要的原因——利用LEIS我們能夠只探測第一層表面原子?！?br>

來(lái)源：Pixabay
在STM中，對距離樣品表面非常近的距離的導電尖端進(jìn)行掃描，測量尖端和樣品間流過(guò)的掃描電流強度。通過(guò)結合這些測量結果，科學(xué)家可以繪制出地表面原子的電子密度圖，即電子在空間中的排列方式。在對照STM圖像處理前后的圖像，研究小組發(fā)現，分別對應于富釩和富鉍表面的原子排列模式有明顯的不同。
“結合STM和LEIS，我們能夠識別出這種光電極材料最頂層的原子結構和化學(xué)元素，”CFN界面科學(xué)和催化組的科學(xué)家，實(shí)驗中使用的多探針表面分析系統的主任、文章共同作者Xiao Tong說(shuō)，“這些實(shí)驗證明了該系統在基礎研究應用中探索表面主導結構-性質(zhì)關(guān)系的能力?！?br> 基于第一性原理（物理基本定律）計算得到的表面結構模型模擬的STM圖像與實(shí)驗結果非常吻合。
“我們的第一原理計算提供了豐富的信息，包括表面的電子特性和原子的確切位置，”合著(zhù)者，Galli團隊的博士后研究員Wennie Wang說(shuō)?！斑@些信息對于解釋實(shí)驗結果至關(guān)重要?！?br> 在證明化學(xué)處理成功改變了第一層原子后，研究小組比較了處理樣品和未處理樣品的光誘導電化學(xué)行為。
Choi說(shuō):“實(shí)驗和計算結果都表明，富鉍的表面能產(chǎn)生更有利的表面能量，并提升水分解的光電化學(xué)性質(zhì)?！薄按送?，這些表面產(chǎn)生了更高的光電壓?！?br> 很多時(shí)候，光粒子(光子)不能提供足夠的能量來(lái)分解水，所以需要一個(gè)外部電壓來(lái)幫助完成化學(xué)反應。從能源效率的角度來(lái)看，應該盡可能少使用額外電力。
“當釩酸鉍吸收光時(shí)，它會(huì )產(chǎn)生電子和空穴，”Liu說(shuō)?！斑@兩種載流子都需要足夠的能量來(lái)完成水分解反應所需的化學(xué)反應:空穴將水氧化為氧氣，電子將水還原為氫氣。雖然空穴有足夠的能量，但電子沒(méi)有。我們發(fā)現，以鉍為末端的表面使電子躍遷至更高的能級，吸收更多的能量，使反應更容易?！?br> 由于空穴很容易與電子重新結合，而不是被轉移到水中，研究小組新增了一組實(shí)驗，以了解表面終端對光電化學(xué)特性的直接影響。他們測量了亞硫酸鹽氧化兩種樣品的光電流。亞硫酸鹽是硫和氧的化合物，是一種“空穴清除劑”，這意味著(zhù)它能在空穴有機會(huì )與電子重新結合之前迅速吸收空穴。在這些實(shí)驗中，鉍端表面也增加了產(chǎn)生的光電流。
“電極表面盡快進(jìn)行這種化學(xué)作用是很重要的，”Liu說(shuō)?！敖酉聛?lái)，我們將研究如何將助催化劑應用于富含鉍的表面，從而加速電流從孔洞向水中的輸送?！?br> 翻譯：曾欣欣
審校：董子晨曦
引進(jìn)來(lái)源：美國國防部/布魯克黑文國家實(shí)驗室
引文鏈接：https://www.eurekalert.org/pub_releases/2021-02/dnl-tes021821.php
本文來(lái)自：環(huán)球科學(xué)


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