原子力显微镜探针展示了涂覆了金属镍的单晶硅界面上的纳米级视图。
据scitechdaily.com网站10月8日报道，美国俄勒冈大学的研究人员发现，纳米催化剂的尺寸越小，对太阳能-化学燃料转化设备更有利。相关研究成果刊登于《自然·材料》杂志。研究人员用原子力显微镜实时观测了纳米级催化剂在半导体中收集光激发电荷的情况。结果表明，当催化剂的尺寸缩小到100纳米以下时，收集被激发的正电荷（空穴）比收集被激发的负电荷（电子）更有效。这可以阻断两者的重新结合，从而提高系统效率。俄勒冈大学教授Shannon W. Boettcher认为，该研究对光解水，以及利用二氧化碳制备水基燃料等非常有意义。他说：“我们发现了一个设计原则，受界面物理学作用，缩小催化剂尺寸，可以提高效率。我们的技术能够以纳米级分辨率观察激发态电荷的流动，这涉及了使用催化材料和半导体元件制造氢气的设备。我们可以储存氢气，然后在没有阳光的时候使用。”
Boettcher团队开发了一种模型系统，系统中包含精细的单晶硅晶片，晶片表面覆盖有不同尺寸的金属镍纳米颗粒。硅可以吸收阳光，并产生激发的正电荷和负电荷。随后，纳米镍能选择性地收集正电荷，加速其与水分子中电子的反应，进而将它们分离开。
此前，Boettcher认为研究人员只能测定覆镍单晶硅表面的光致平均电流和平均电压。为了有更深入的研究，Boettcher团队与Bruker Nano Surfaces展开了合作。借助后者提供的探针原子力显微镜，Boettcher等观察到了详细的界面微观形貌，并通过测定电压记录了空穴的形成。Boettcher说，纳米镍颗粒表面氧化后会形成屏障作用，这非常关键。它能够阻止带负电荷的电子流向催化剂，并消除带正电荷的空穴。早在几十年前，就有研究人员预测，固态器件中可能出现这样的“夹止”效应。然而，在制备燃料的光电化学系统中，研究人员从未直接观察到这种现象。
论文第一作者、Boettcher实验室成员Forrest Laskowski说：“这项新技术有望成为纳米电化学研究的通用方法。我们的研究成果有助于加深业界对光电化学储能技术的理解。燃料电池、生物膜等诸多领域都将因此受益。”
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编译：雷鑫宇 审稿：阿淼 责编：张梦
期刊来源：《自然·材料》期刊编号：1476-1122
原文链接：https://scitechdaily.com/devices-that-make-fuel-from-sunlight-more-efficiently-possible-with-nanoparticle-discovery-from-electrode-fitted-microscope/
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