人工光合作用系统开发的曙光——严苛条件下材料性能测定的实现

材料牛注：号外号外！我们距离太阳能燃料发电机的使用更近一步啦！想象一下，蓝天白云无霾的明天在等着我们~这又和严苛条件下材料性能测定的实现有何关系呢？感觉风马牛不相及？请和小编一起去抽丝剥茧，看看这其中的因因果果~

人工光合作用系统，顾名思义即人为高效地将阳光、水和二氧化碳转化为燃料的系统或装置。由于人工光合作用系统的工作条件较为苛刻，故致力于开发该系统的科学家们遇到的最大挑战之一就是：怎样寻找到一种即使暴露在严苛条件下也能使部件长期正常使用的材料。然而现有用于材料稳定性测定的方法均具有较大的偶然性。可喜的是，Berkeley实验室领导的一个研究团队于近期开发出了一组理论与实践双管齐下，能准确测定严苛环境下材料抗腐蚀能力的技术。这将大大促进人工光合作用系统材料的筛选和开发。Berkeley实验室人工光合作用联合中心(JCAP)的研究人员已将该项研究工作发表在近期的Nature Communications杂志上了.

“当前，没有一种现存的方法能够预测使用中材料的稳定性”，该项研究的第一作者，同时也是Berkeley实验室化学科学部门的研究员Francesca Toma表示，“由此我们需要发展一组能准确评估材料在真实条件下使用性能的技术，更有甚者能预测该材料是否能持续使用10年，若能开发出一种方法去明确材料降解的机理并预测其若干年后的稳定性将是一个重大的进步。”

人工光合作用同自然光合作用一样，也能达到一个可控、稳定的过程。对于两者来说，一个最为关键的步骤就是将水解离为氢和氧。对于自然光合作用体系而言，由于活细胞具有自我修复的能力，因此无需确保执行这一功能的组分具有高稳定性。

而投入使用的太阳能燃料发电机（即人工光合作用系统的装置）不具备类似植物的自我修复功能，且其工作的环境具有高腐蚀性，会加剧敏感元件的损耗，故需要不必经常更换的高稳定性材料。可惜的是，目前绝大部分材料对严苛环境都不耐受，其性能会随着时间的推移而降低。

在太阳能燃料发电机的研究中，研究者们将研究重点聚焦于钒酸铋（bismuth vanadate）— —一种薄膜状的半导体上。此材料在正电极材料或光电池的阳极开发上具有十分重要的潜在应用，光电阳极能吸收阳光去解离水。研究人员通过传统的方法去预测钒酸铋特性时，发现它能够抵抗化学腐蚀，然而实际使用时却不然。

上图为原始钒酸铋（左）和受损钒酸铋（右）横断面的透射电镜图像，钒酸铋为染成黄色的部分，左侧黄色部分为完整的，右侧为浸泡过碱槽的钒酸铋，其黄色部分呈碎片状。

科学家们通过精心设计的实验方法分析了使用前后的钒酸铋。发现该材料薄膜表面在光照下会累积光生电荷，导致该金属氧化物半导体在结构上的不稳定性，从而不耐化学腐蚀。该不稳定性主要是由于其动力学的局限所致，这和钒酸铋无法在工作条件下重组表面相的分子使其达到一个稳定的结构息息相关。

“对于复杂的金属氧化物而言，要发生重要的结构性重组需要在表面产生一层具有热力学性稳定的薄层，但是这个薄层的形成非常慢"，Toma解释道。

“到目前为止，钒酸铋仍是可用于构建光电阳极的最好的材料之一”，Berkeley实验室化学科学部门的另一位研究员Ian Sharp表示，“当然，我们需要持续探索，来发现能更高效地吸收阳光并驱动储能反应的新半导体材料。“

研究人员还补充道，为了更加了解这些可用于太阳能燃料发电机的材料，接下来需要研究在不同长度和时间维度的工作条件下，材料局部的化学成分和性能之间的关系。“明确降解过程的机理对于设计更抗腐蚀的材料而言非常重要，” Berkeley实验室材料科学与工程及能源技术领域的研究员Kristin Persson表示，“我希望我们的研究成果对后续开发和筛选具有更高稳定性的新材料有所启发。”

参考原文链接：http://www.materialstoday.com/characterization/news/test-artificial-photosynthesis-materials/

文献链接：http://www.nature.com/ncomms/2016/160705/ncomms12012/full/ncomms12012.html

本文由编辑部王宇提供素材 ，陈学敏编译，黄超审核，点我加入材料人编辑部。