三年前，密歇根大學(xué)（Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｍｉｃｈｉｇａｎ）的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一種由硅和氮化鎵（Ｓｉ／ＧａＮ）制成的人工光合作用裝置，它利用陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為無(wú)碳?xì)洌糜谌剂想姵兀湫屎头€(wěn)定性是之前一些技術(shù)的兩倍。

現(xiàn)在，勞倫斯·利弗莫爾和勞倫斯·伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們與密歇根大學(xué)合作，發(fā)現(xiàn)了硅氮化鎵中一種令人驚訝的、自我改善的特性，這有助于這種材料在將光和水轉(zhuǎn)化為無(wú)碳?xì)浞矫娴母咝Ш头€(wěn)定性能。這項(xiàng)發(fā)表在《自然材料》（Ｎａｔｕｒｅ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）雜志上的研究，可能有助于從根本上加速人工光合作用技術(shù)和氫燃料電池的商業(yè)化。

太陽(yáng)能燃料系統(tǒng)中的材料通常會(huì)降解，變得不那么穩(wěn)定，因此產(chǎn)生氫氣的效率也會(huì)降低，但該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)硅氮化鎵的一種不同尋常的特性使其變得更高效和穩(wěn)定。

以往的人工光合材料要么是性能優(yōu)異但缺乏耐久性的吸光材料，要么是缺乏光吸收效率的耐用材料。

但是硅和氮化鎵是豐富而廉價(jià)的材料，它們被廣泛用作日常電子產(chǎn)品的半導(dǎo)體，如發(fā)光二極管和太陽(yáng)能電池，共同作者Ｚｅｔｉａｎ　Ｍｉ說(shuō)，他是密歇根大學(xué)電子和計(jì)算機(jī)工程教授，十年前發(fā)明了Ｓｉ／ＧａＮ人工光合裝置。

當(dāng)Ｍｉ的Ｓｉ／ＧａＮ裝置達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄的３％的太陽(yáng)能氫效率時(shí)，他想知道這樣普通的材料是如何在一個(gè)奇異的人工光合作用裝置中表現(xiàn)得如此出色的－所以他向資深作者，伯克利實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家Ｆｒａｎｃｅｓｃａ　Ｔｏｍａ尋求幫助。

采用團(tuán)隊(duì)科學(xué)方法開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能燃料

Ｍｉ已經(jīng)了解了Ｔｏｍａ在先進(jìn)顯微鏡技術(shù)方面的專業(yè)知識(shí)，該技術(shù)可以通過(guò)美國(guó)能源部氫和燃料電池技術(shù)辦公室的氫來(lái)探測(cè)納米級(jí)（十億分之一米）的人工光合作用材料的特性。

ｈｅｄｒｏＧＥＮ是一個(gè)由國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)家實(shí)驗(yàn)室聯(lián)盟，促進(jìn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、學(xué)術(shù)界和工業(yè)之間的合作，以開(kāi)發(fā)先進(jìn)的水分解材料。

Ｔｏｍａ和伯克利實(shí)驗(yàn)室化學(xué)科學(xué)部的博士后曾國(guó)松（音譯）懷疑ＧａＮ可能在該設(shè)備的產(chǎn)氫效率和穩(wěn)定性方面發(fā)揮了重要作用。

為了找到答案，曾進(jìn)行了一個(gè)光導(dǎo)原子力顯微鏡實(shí)驗(yàn)，以測(cè)試ＧａＮ光熱極如何有效地將吸收的光子轉(zhuǎn)換成電子，然后招募這些自由電子將水分解成氫氣，然后材料開(kāi)始降解，變得不那么穩(wěn)定和高效。

他們觀察到ＧａＮ顆粒“側(cè)壁”上的小面使材料的光電流提高了２－３個(gè)數(shù)量級(jí)。隨著時(shí)間的推移，這種材料的效率也有所提高，盡管這種材料的整體表面沒(méi)有發(fā)生太大的變化。

為了收集更多的線索，研究人員在伯克利實(shí)驗(yàn)室的分子鑄造國(guó)家電子顯微鏡中心招募了掃描透射電子顯微鏡（ＳＴＥＭ）和依賴角度的ｘ射線光子光譜（ＸＰＳ）。

這些實(shí)驗(yàn)揭示了一個(gè)由鎵、氮和氧混合的１納米層——或氧化氮鎵——已經(jīng)沿著一些側(cè)壁形成。發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，增加了“產(chǎn)氫反應(yīng)的活性催化點(diǎn)，”Ｔｏｍａ說(shuō)。

由共同作者Ｔａｄａｓｈｉ　Ｏｇｉｔｓｕ和Ａｎｈ　Ｐｈａｍ在ＬＬＮＬ進(jìn)行的密度泛函理論（ＤＦＴ）模擬證實(shí)了他們的觀測(cè)結(jié)果。Ｏｇｉｔｓｕ說(shuō)：“通過(guò)計(jì)算材料表面特定部位化學(xué)物質(zhì)分布的變化，我們成功地發(fā)現(xiàn)了一種與氧化氮化鎵作為析氫反應(yīng)中心的發(fā)展相關(guān)的表面結(jié)構(gòu)。”“我們希望我們的發(fā)現(xiàn)和方法——一個(gè)緊密結(jié)合的理論和實(shí)驗(yàn)的合作，由ＨｙｄｒｏＧＥＮ財(cái)團(tuán)支持——將被用于進(jìn)一步改進(jìn)可再生氫生產(chǎn)技術(shù)。”

展望未來(lái)，Ｔｏｍａ說(shuō)她和她的團(tuán)隊(duì)想在水分解光電化學(xué)電池中測(cè)試硅／氮化鎵光電陰極，曾將用類似的材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以更好地了解氮化物如何促進(jìn)人工光合裝置的穩(wěn)定性——這是他們從未想過(guò)的事情。

“這完全令人驚訝，”曾說(shuō)。這沒(méi)有意義，但是Ｐｈａｍ的ＤＦＴ計(jì)算給了我們需要的解釋來(lái)驗(yàn)證我們的觀測(cè)。我們的發(fā)現(xiàn)將幫助我們?cè)O(shè)計(jì)出更好的人工光合作用設(shè)備。”