人工光合作用系統(tǒng)，顧名思義即人為高效地將陽光、水和二氧化碳轉(zhuǎn)化為燃料的系統(tǒng)或裝置。由于人工光合作用系統(tǒng)的工作條件較為苛刻，故致力于開發(fā)該系統(tǒng)的科學(xué)家們遇到的最大挑戰(zhàn)之一就是：怎樣尋找到一種即使暴露在嚴(yán)苛條件下也能使部件長期正常使用的材料。然而現(xiàn)有用于材料穩(wěn)定性測定的方法均具有較大的偶然性?？上驳氖?，Berkeley實驗室領(lǐng)導(dǎo)的一個研究團(tuán)隊于近期開發(fā)出了一組理論與實踐雙管齊下，能準(zhǔn)確測定嚴(yán)苛環(huán)境下材料抗腐蝕能力的技術(shù)。這將大大促進(jìn)人工光合作用系統(tǒng)材料的篩選和開發(fā)。Berkeley實驗室人工光合作用聯(lián)合中心（JCAP）的研究人員已將該項研究工作發(fā)表在近期的Nature Communications雜志上了。

    “當(dāng)前，沒有一種現(xiàn)存的方法能夠預(yù)測使用中材料的穩(wěn)定性”，該項研究的第一作者，同時也是Berkeley實驗室化學(xué)科學(xué)部門的研究員Francesca Toma表示，“由此我們需要發(fā)展一組能準(zhǔn)確評估材料在真實條件下使用性能的技術(shù)，更有甚者能預(yù)測該材料是否能持續(xù)使用10年，若能開發(fā)出一種方法去明確材料降解的機(jī)理并預(yù)測其若干年后的穩(wěn)定性將是一個重大的進(jìn)步。”

    人工光合作用同自然光合作用一樣，也能達(dá)到一個可控、穩(wěn)定的過程。對于兩者來說，一個最為關(guān)鍵的步驟就是將水解離為氫和氧。對于自然光合作用體系而言，由于活細(xì)胞具有自我修復(fù)的能力，因此無需確保執(zhí)行這一功能的組分具有高穩(wěn)定性。

    而投入使用的太陽能燃料發(fā)電機(jī)（即人工光合作用系統(tǒng)的裝置）不具備類似植物的自我修復(fù)功能，且其工作的環(huán)境具有高腐蝕性，會加劇敏感元件的損耗，故需要不必經(jīng)常更換的高穩(wěn)定性材料?？上У氖?，目前絕大部分材料對嚴(yán)苛環(huán)境都不耐受，其性能會隨著時間的推移而降低。

    在太陽能燃料發(fā)電機(jī)的研究中，研究者們將研究重點聚焦于釩酸鉍（bismuth vanadate）— —一種薄膜狀的半導(dǎo)體上。此材料在正電極材料或光電池的陽極開發(fā)上具有十分重要的潛在應(yīng)用，光電陽極能吸收陽光去解離水。研究人員通過傳統(tǒng)的方法去預(yù)測釩酸鉍特性時，發(fā)現(xiàn)它能夠抵抗化學(xué)腐蝕，然而實際使用時卻不然。

    上圖為原始釩酸鉍（左）和受損釩酸鉍（右）橫斷面的透射電鏡圖像，釩酸鉍為染成黃色的部分，左側(cè)黃色部分為完整的，右側(cè)為浸泡過堿槽的釩酸鉍，其黃色部分呈碎片狀。

    科學(xué)家們通過精心設(shè)計的實驗方法分析了使用前后的釩酸鉍。發(fā)現(xiàn)該材料薄膜表面在光照下會累積光生電荷，導(dǎo)致該金屬氧化物半導(dǎo)體在結(jié)構(gòu)上的不穩(wěn)定性，從而不耐化學(xué)腐蝕。該不穩(wěn)定性主要是由于其動力學(xué)的局限所致，這和釩酸鉍無法在工作條件下重組表面相的分子使其達(dá)到一個穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)息息相關(guān)。

    “對于復(fù)雜的金屬氧化物而言，要發(fā)生重要的結(jié)構(gòu)性重組需要在表面產(chǎn)生一層具有熱力學(xué)性穩(wěn)定的薄層，但是這個薄層的形成非常慢”，Toma解釋道。

    “到目前為止，釩酸鉍仍是可用于構(gòu)建光電陽極的最好的材料之一”，Berkeley實驗室化學(xué)科學(xué)部門的另一位研究員Ian Sharp表示，“當(dāng)然，我們需要持續(xù)探索，來發(fā)現(xiàn)能更高效地吸收陽光并驅(qū)動儲能反應(yīng)的新半導(dǎo)體材料。”

    研究人員還補(bǔ)充道，為了更加了解這些可用于太陽能燃料發(fā)電機(jī)的材料，接下來需要研究在不同長度和時間維度的工作條件下，材料局部的化學(xué)成分和性能之間的關(guān)系。“明確降解過程的機(jī)理對于設(shè)計更抗腐蝕的材料而言非常重要，” Berkeley實驗室材料科學(xué)與工程及能源技術(shù)領(lǐng)域的研究員Kristin Persson表示，“我希望我們的研究成果對后續(xù)開發(fā)和篩選具有更高穩(wěn)定性的新材料有所啟發(fā)。”