这种氢燃料机器可能是自我改进的终极指南

三年前，密歇根大学的科学家们发现了一种由硅和氮化镓 (Si/GaN) 制成的人工光合作用装置，该装置将阳光转化为用于燃料电池的无碳氢，其效率和稳定性是以前一些技术的两倍。

现在，能源部 (DOE) 劳伦斯伯克利国家实验室 (Berkeley Lab) 的科学家与密歇根大学和劳伦斯利弗莫尔国家实验室 (LLNL) 合作，在 Si/ GaN 有助于材料在将光和水转化为无碳氢方面的高效和稳定性能。他们的发现发表在《自然材料》杂志上，可以帮助从根本上加速人工光合作用技术和氢燃料电池的商业化。

“我们的发现真正改变了游戏规则，”能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)化学科学部的资深作者弗朗西斯卡托马说。她说，通常太阳能燃料系统中的材料会降解，变得不太稳定，因此产生氢气的效率也会降低。“但我们在 Si/GaN 中发现了一种不寻常的特性，它以某种方式使其变得更加高效和稳定。我从未见过这样的稳定​​性。”

以前的人工光合作用材料要么是优秀的光吸收剂，要么缺乏耐用性;或者它们是缺乏光吸收效率的耐用材料。

但是，硅和氮化镓是丰富且廉价的材料，被广泛用作日常电子产品中的半导体，例如 LED(发光二极管)和太阳能电池，合著者、密歇根大学电气和计算机工程教授 Zetian Mi 说密歇根州，十年前发明了 Si/GaN 人工光合作用装置。

当 Mi 的 Si/GaN 器件实现了创纪录的 3% 的太阳能到氢气效率时，他想知道这些普通材料如何在异国情调的人工光合作用装置中表现得如此出色——因此他向 Toma 寻求帮助。

HydroGEN：对太阳能燃料采取团队科学方法

Mi 通过 HydroGEN 了解了 Toma 在先进显微镜技术方面的专业知识，该技术用于探测人工光合作用材料的纳米级(十亿分之一米)特性，HydroGEN 是一个由美国能源部氢和燃料电池技术办公室支持的五个国家实验室联盟，由国家领导可再生能源实验室，以促进国家实验室、学术界和工业界之间的合作，以开发先进的水分解材料。伯克利实验室的 Adam Weber 说：“支持工业界和学术界在先进的水分解材料与国家实验室的能力方面的相互作用正是 HydroGEN 成立的原因——这样我们就可以推动清洁制氢技术的发展。”

Toma 和主要作者、伯克利实验室化学科学部的博士后学者曾国松怀疑 GaN 可能在该设备在制氢效率和稳定性方面的非凡潜力中发挥了作用。

为了找到答案，Zeng 在 Toma 的实验室进行了光电导原子力显微镜实验，以测试 GaN 光电阴极如何有效地将吸收的光子转化为电子，然后招募这些自由电子将水分解成氢，然后材料开始降解并变得更少。稳定高效。

他们预计，仅仅几个小时后，材料的光子吸收效率和稳定性就会急剧下降。Zeng 说，令他们惊讶的是，他们观察到来自 GaN 晶粒“侧壁”的微小刻面的材料光电流提高了 2-3 个数量级。更令人困惑的是，随着时间的推移，这种材料的效率提高了，尽管材料的整体表面没有太大变化，曾说。“换句话说，材料并没有变得更糟，而是变得更好，”他说。

为了收集更多线索，研究人员在伯克利实验室分子铸造厂的国家电子显微镜中心招募了扫描透射电子显微镜 (STEM) 和角度相关的 X 射线光子光谱 (XPS)。

这些实验表明，沿着一些侧壁形成了一个与镓、氮和氧(或氮氧化镓)混合的 1 纳米层。Toma 说，发生了化学反应，增加了“用于制氢反应的活性催化位点”。

LLNL 的合著者 Tadashi Ogitsu 和 Tuan Anh Pham 进行的密度泛函理论 (DFT) 模拟证实了他们的观察结果。“通过计算材料表面特定部分化学物质分布的变化，我们成功地发现了与氧氮化镓作为析氢反应位点的发展相关的表面结构，”Ogitsu 说。“我们希望我们的发现和方法——由 HydroGEN 联盟支持的紧密结合的理论-实验合作——将用于进一步改进可再生氢生产技术。”

Mi 补充说：“我们已经研究这种材料 10 多年了——我们知道它是稳定和高效的。但是这种合作有助于确定为什么它变得更加强大和高效而不是退化的基本机制。来自这个的发现这项工作将帮助我们以更低的成本建造更高效的人工光合作用装置。”

展望未来，Toma 表示她和她的团队希望在水分解光电化学电池中测试 Si/GaN 光电阴极，Zeng 将用类似的材料进行实验，以更好地了解氮化物如何有助于人工光合作用装置的稳定性——这是他们从未想过的事情。

“这完全令人惊讶，”曾说。“这没有任何意义——但 Pham 的 DFT 计算为我们提供了验证观察结果所需的解释。我们的发现将帮助我们设计更好的人工光合作用装置。”

“这是国家实验室和研究型大学之间前所未有的合作网络，”托马说。“Hydrogen 联盟将我们聚集在一起——我们的工作展示了国家实验室的团队科学方法如何帮助解决影响整个世界的重大问题。”