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，它可以将阳光转化为无碳氢，用于燃料电池，其效率和稳定性是之前一些技术的两倍。
现在，能源部的劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的科学家们——与密歇根大学和劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)合作——发现了一个令人惊讶的、硅氮化镓的自改善性能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。他们的研究结果发表在《自然材料》(Nature Materials)杂志上，可能会从根本上加速人工光合作用技术和氢燃料电池的商业化。
“我们的发现是一个真正的游戏规则改变者，”高级作者弗朗西斯卡·托马(Francesca Toma)说，她是能源部劳伦斯伯克利国家实验室(Berkeley Lab)化学科学部的科学家。她说，通常情况下，太阳能燃料系统中的材料会降解，变得不稳定，从而产生氢气的效率降低。“但我们发现硅/氮化镓的一种不寻常的性质，杏耀官方使其在某种程度上变得更高效和更稳定。我从未见过如此稳定的局面。”
以前的人工光合作用材料要么是优良的光吸收材料，但缺乏耐久性;或者它们是缺乏光吸收效率的耐用材料。
但硅和氮化镓是大量且廉价的材料，它们被广泛用于日常电子产品的半导体，如led(发光二极管)和太阳能电池，共同作者泽天米说，他是密歇根大学电子和计算机工程教授，十年前发明了硅/氮化镓人工光合作用装置。
当米的Si/GaN装置达到了破纪录的3%的太阳能氢转化效率时，他想知道这些普通的材料是如何在一个奇特的人工光合作用装置中表现得如此出色的，所以他向托马寻求帮助。
Mi了解到Toma在先进显微镜技术方面的专业知识，该技术通过氢来探测人造光合作用材料的纳米级(十亿分之一米)特性。氢是由能源部的氢和燃料电池技术办公室支持的一个由五个国家组成的实验室联盟，由国家可再生能源实验室领导，促进国家实验室、学术界和工业之间的合作，
杏耀娱乐好不好 ，开发先进的水分解材料。“这些支持工业和学术界在先进的水分解材料和国家实验室能力的相互作用，正是氢形成的原因——这样我们就可以推动清洁的氢生产技术，”亚当·韦伯说，伯克利实验室氢和燃料电池技术实验室项目经理兼氢研究副主任。
Toma和首席作者、伯克利实验室化学科学部博士后曾国松怀疑，GaN可能在该装置异乎寻常的产氢效率和稳定性方面发挥了作用。
为了找到答案,曾庆红进行了光电导原子力显微镜实验在托马的实验室测试氮化镓光电阴极如何有效地吸收光子转换成电子,然后招募这些自由电子,然后把水分解成氢在材料开始退化,变得不那么稳定的和有效的。
他们预计在几小时后，这种材料的光子吸收效率和稳定性会急剧下降。令他们惊讶的是，杏耀他们观察到从GaN颗粒“侧壁”的微小面传来的材料光电流有2-3个数量级的提高，Zeng说。更令人困惑的是，这种材料的效率随着时间的推移而提高，尽管这种材料的整体表面变化不大，曾晶说。“换句话说，材料不但没有变坏，反而变好了，”他说。
为了收集更多的线索，研究人员在伯克利实验室分子铸造室的国家电子显微镜中心招募了扫描透射电子显微镜(STEM)和依赖角度的x射线光子光谱学(XPS)。
这些实验表明，沿着一些侧壁已经形成了一个1纳米的混合镓、氮和氧的层——或氮氧氮化镓。一个化学反应已经发生，增加了“产氢反应的活性催化位点，”托马说。
由共同作者Tadashi Ogitsu和Tuan Anh Pham在LLNL进行的密度泛函理论(DFT)模拟证实了他们的观察。Ogitsu说:“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氮化氧镓的发展相关的表面结构，作为一个析氢反应位点。”“我们希望我们的发现和方法——由氢联盟提供的紧密的理论和实验合作——将被用于进一步改进可再生氢生产技术。”
米补充道:“我们研究这种材料已经超过10年了，我们知道它是稳定和高效的。但这种合作有助于确定其背后的基本机制，为什么它变得更加健壮和高效，而不是退化。这项研究的发现将帮助我们以更低的成本制造出更高效的人工光合作用设备。”
展望未来，托马说，她和她的团队希望在一个水分解光电电化学电池中测试硅/氮化镓光电阴极，曾晶还将用类似的材料进行实验，以更好地了解氮化物是如何促进人工光合作用装置的稳定性的——这是他们从未想过的。
曾晶说:“这太令人惊讶了。“这没有意义——但是Pham的DFT计算给了我们需要的解释来验证我们的观察结果。我们的发现将帮助我们设计出更好的人工光合作用装置。”
托马说:“这是国家实验室和研究型大学之间前所未有的合作网络。”“氢联盟让我们走到了一起——我们的工作证明了国家实验室的团队科学方法可以帮助解决影响整个世界的重大问题。”
