财联社（上海，编辑 黄君芝）讯，据报道，美国劳伦斯伯克利国家实验室的一个研究小组开发了一种新的人工光合作用装置组件，它可以有选择性地将阳光和二氧化碳转化为两种有前途的可再生燃料来源——乙烯和氢气，具有显著的稳定性和寿命。

研究人员最近在《自然能源》（Nature Energy）杂志上发表了他们的发现，揭示了该设备在使用过程中是如何退化的，然后演示了如何减轻它的退化。作者还对电子和被称为“空穴”的电荷载体如何促进人工光合作用的退化提供了新的见解。

论文作者之一的Francesca Toma说：“通过了解材料和设备在运行中如何转变，我们可以设计出更耐用的方法，从而减少浪费，”他是液体阳光联盟（LiSA）伯克利实验室化学科学部的一名科学家。

在目前的研究中，Toma和她的团队设计了一种太阳能燃料装置模型，称为光电化学（PEC）电池，由氧化铜或氧化亚铜制成，这是一种很有前途的人工光合作用材料。

氧化亚铜长期以来一直困扰着科学家，因为这种材料的优点——它对光的高反应性，也是它的弱点，因为光会导致这种材料在暴露几分钟内就分解。不过，尽管氧化亚铜不稳定，但它是人工光合作用的最佳候选材料之一，因为它相对便宜，并具有吸收可见光的合适特性。

为了更好地理解如何优化这种有前途的材料的工作条件，Toma和她的团队仔细研究了氧化亚铜使用前后的晶体结构。

电子显微镜实验证实，氧化亚铜在暴露于光和水的几分钟内就会迅速氧化或被腐蚀。在人工光合作用研究中，研究人员通常使用水作为电解质，将二氧化碳还原成可再生化学品或燃料，如乙烯和氢气，但水含有氢氧根离子，导致不稳定。

但是通过另一项实验，这次是使用高级光源的一种叫做环境压力X射线光电子能谱（APXPS）的技术，研究人员发现了一个意想不到的线索：氧化亚铜在含有氢氧根离子的水中腐蚀得更快，氢氧根离子是由一个氧原子与一个氢原子结合而成的带负电的离子。

Toma说，“我们知道它是不稳定的，但我们惊讶地发现它实际上是多么不稳定。当我们开始这项研究时，我们想，也许更好的太阳能燃料设备的关键不在于材料本身，而是在整个反应环境中，包括电解液。”

“这表明氢氧化物有助于腐蚀。另一方面，我们推断，如果你消除了腐蚀的来源，你就消除了腐蚀，”该研究论文第一作者、伯克利实验室化学科学部的LiSA项目科学家Guiji Liu解释说。

揭开腐蚀的意外线索

在电子设备中，电子-空穴对分离成电子和空穴来产生电荷。但是一旦分离，如果电子和空穴不能用来发电，比如在将阳光转化为电能的光伏设备中，或者在人工光合作用设备中进行反应，它们可以与材料发生反应并使其退化。

在人工光合作用中，如果控制不当，这种重组会腐蚀氧化亚铜。科学家们长期以来一直认为，氧化亚铜的腐蚀完全是电子造成的。但令研究人员惊讶的是，在美国国家能源研究科学计算中心（NERSC）进行的计算机模拟显示，空穴也起到了一定的腐蚀作用。Liu说：“在我们的研究之前，大多数人认为光诱导的氧化亚铜降解主要是由电子引起的，而不是空穴。”

模拟还暗示了一种潜在的解决氧化亚铜固有不稳定性的方法:氧化亚铜PEC表面涂有银，下面是金/铁氧化物。这种“Z方案”的灵感来自于自然光合作用中发生的电子转移，它应该创造一个“漏斗”，将空穴从氧化亚铜发送到金/铁氧化物“水槽”。此外，Toma解释说，界面材料的多样性应该通过提供额外的电子与氧化亚铜的空穴重新结合来稳定系统。

为了验证他们的模拟结果，研究人员设计了一个人工光合作用设备的物理模型。令他们高兴的是，该装置以前所未有的选择性产生了乙烯和氢，而且持续时间超过24小时。Toma说，“这是一个令人激动的结果。”

“我们希望我们的工作能鼓励人们设计出适应人工光合作用设备中半导体材料固有特性的策略，”Liu补充道。

研究人员计划继续利用他们的新方法开发用于生产液体燃料的新型太阳能燃料设备。Toma总结道，“了解材料在人工光合作用设备中发挥作用时是如何转化的，可以使其进行预防性修复和延长活动。”