氫能觀察消息，三年前，密歇根大學的科學家們發現了一種由硅和氮化鎵(Si/GaN)制成的人工光合作用裝置，它利用陽光制成無碳氫氣，用于燃料電池，其效率和穩定性是以前某些技術的兩倍。

現在，美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室實驗室(伯克利實驗室)的科學家們，與密歇根大學和勞倫斯利福摩爾國家實驗室合作，在 Si/GaN 中發現了一種令人驚訝的自我改進特性，這種特性有助于材料高效穩定地將光和水轉化為無碳氫。他們的研究結果發表在《自然材料》雜志上，可能有助于從根本上加快人工光合作用技術和氫燃料電池的商業化進程。

“我們的發現是一個真正的游戲規則改變者,”高級作者 Francesca Toma 說，他是能源部勞倫斯伯克利國家實驗室實驗室化學科學部的科學家。她說，通常情況下，太陽能燃料系統中的材料會降解，變得不穩定，因此產生氫氣的效率就會降低。“但是我們在 Si/GaN 中發現了一種不同尋常的特性，這種特性使得 Si/GaN 變得更加高效和穩定。我從未見過如此穩定的局面。”

先前的人工光合作用材料要么是缺乏耐久性的優秀吸光材料，要么是缺乏吸光效率的耐用材料。

但硅和氮化鎵是豐富和廉價的材料，被廣泛用作日常電子產品的半導體，如 led (發光二極管)和太陽能電池，合著者 Zetian Mi 說，他是密歇根大學電氣和計算機工程教授，十年前發明了硅/氮化鎵人工光合作用。

當Si/GaN 設備達到了破紀錄的3% 太陽能轉化為氫氣的效率時，他想知道為什么這種普通材料能在一種奇特的人工光合作用設備中表現得如此出色——所以他向托馬求助。

Mi 通過氫氣了解到了托馬在先進顯微技術方面的專業知識，這種技術可以探測人工光合作用材料的納米級(十億分之一米)特性。氫氣是一個由美國能源部氫氣和燃料電池技術辦公室支持的五國聯合實驗室，由國家可再生能源實驗室領導，旨在促進國家實驗室、學術界和工業界之間的合作，以開發先進的分水材。伯克利實驗室氫與燃料電池技術實驗室項目經理兼氫氣部副主任亞當 · 韋伯說: “這些支持工業界和學術界的先進分解水材料與國家實驗室的能力的相互作用正是氫氣形成的原因——這樣我們就可以推動清潔氫氣生產技術的發展。”

托馬和第一作者曾國松是伯克利實驗室化學科學部的博士后學者，他們懷疑氮化鎵可能在該設備不同尋常的潛在產氫效率和穩定性中發揮了作用。

為了找到答案，曾國松在托馬實驗室進行了光電導原子力顯微鏡實驗，以測試氮化鎵光電陰極是如何有效地將吸收的光子轉化為電子，然后招募這些自由電子將水分解為氫，在材料開始降解并變得不穩定和效率降低之前。

他們預計僅僅幾個小時后，這種材料的光子吸收效率和穩定性就會急劇下降。令他們吃驚的是，他們觀察到沿著 GaN 顆粒“側壁”的微小面對光電流有2-3個數量級的改善，曾說。更令人費解的是，這種材料隨著時間的推移已經提高了它的效率，即使材料的整體表面并沒有改變多少，曾說。“換句話說，材料沒有變差，反而變好了,”他說。

為了收集更多的線索，研究人員在伯克利實驗室的分子鑄造廠的國家電子顯微鏡中心招募了掃描透射電子顯微鏡(STEM)和依賴角度的 x 射線光子光譜學(XPS)。

這些實驗揭示了一個混合了鎵、氮和氧(或氮氧化鎵)的1納米層已經沿著一些側壁形成。發生了化學反應，增加了“制氫反應的活性催化位點,”托馬說。

密度泛函理論(DFT)模擬進行了由合作者 Tadashi Ogitsu 和 Tuan Anh Pham 在 LLNL 證實了他們的觀察。Ogitsu 說: “通過計算材料表面特定部分的化學物種分布的變化，我們成功地發現了一種表面結構，這種結構與氮氧化鎵作為氫析出反應位點的發展相關。”

“我們希望我們的研究結果和方法——氫聯盟啟動的緊密集成的理論和實驗合作——將用于進一步改進可再生氫生產技術。”

Mi 補充說: “我們研究這種材料已經超過10年了——我們知道它穩定而高效。但是，這種合作有助于確定為什么它變得更加健壯和有效而不是退化背后的基本機制。這項工作的結果將幫助我們以更低的成本制造出更高效的人工光合作用設備。”

展望未來，Toma 說她和她的團隊想要在分水光電化學電池中測試 Si/GaN 光電陰極，而 Zeng 將用類似的材料進行實驗，以更好地了解氮化物是如何有助于人工光合作用穩定性的，這是他們從未想過的可能性。

“這完全出乎意料,”曾國松說。“這沒有意義——但是 Pham 的 DFT 計算給了我們驗證觀測結果所需的解釋。我們的發現將幫助我們設計出更好的人工光合作用。”

“這是國家實驗室和研究型大學之間史無前例的合作網絡,”托馬說。“氫聯盟把我們聚集在一起——我們的工作展示了國家實驗室的團隊科學方法如何幫助解決影響全世界的重大問題。”

這項工作得到了氫先進水分解材料聯盟的支持，該聯盟是能源部能源效率和可再生能源辦公室下設的能源材料網絡的一部分，成立于1931年，相信最大的科學挑戰最好由團隊來解決，勞倫斯伯克利國家實驗室和它的科學家已經獲得了14個諾貝爾獎。今天，伯克利實驗室的研究人員開發可持續的能源和環境解決方案，創造有用的新材料，推進計算的前沿，探索生命、物質和宇宙的奧秘。來自世界各地的科學家依靠實驗室的設備來進行他們自己的發現科學。伯克利實驗室是一個多項目的國家實驗室，由美國加州大學能源部科學辦公室管理。