通过电极式显微镜发现纳米粒子,可以更有效地利用日光燃料的设备

时间:2019-10-21 21:06 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

通过电极式显微镜发现纳米粒子,可以更有效地利用日光燃料的设备

      俄勒冈大学的研究人员发现,较小的催化纳米颗粒对于将太阳能转化为氢气等化学燃料的多种设备而言至关重要。

  俄勒冈大学的研究人员使用原子力显微镜,电极头的直径比人的头发小1,000倍,俄勒冈大学的研究人员实时确定了纳米级催化剂如何收集半导体中光激发的电荷。

  如《自然材料》杂志上的报道,他们发现,随着催化颗粒尺寸缩小到100纳米以下,激发的正电荷(空穴)的收集变得比激发的负电荷(电子)的收集更为有效。这种现象可防止激发的正电荷和负电荷重新结合,从而提高了系统效率。

  教授Shannon W. Boettcher教授说,这些发现为改进利用光来制造化学药品和燃料的系统打开了大门,例如通过将水分解成氢气或将二氧化碳和水混合以生产碳基燃料或化学药品。在UO的化学与生物化学系任教,并是该大学材料科学研究所的成员。

  Boettcher说:“我们发现了一种设计原理,该原理指出,由于界面处的物理特性,使得催化颗粒的尺寸非常小,这可以提高效率。” “我们的技术使我们能够以纳米级的分辨率观察激发电荷的流动,这与使用催化和半导体成分制造氢的设备有关,当太阳不发光时,这些氢可以存储起来供使用。”

  在研究中,Boettcher的团队使用了一个模型系统,该模型系统由定义明确的单晶硅晶片组成,该晶片上涂覆了不同尺寸的金属镍纳米粒子。硅吸收阳光并产生激发的正电荷和负电荷。然后,镍纳米粒子选择性地收集正电荷,并加快这些正电荷与水分子中电子的反应,将其拉开。

  Boettcher说,以前,研究人员只能测量在这样一个表面上移动的平均电流以及光照射到半导体时产生的平均电压。为了更仔细地观察,他的团队与UO原子力显微镜的制造商Bruker Nano Surfaces进行了合作,该技术通过轻敲尖锐的尖端(就像盲人轻敲拐杖一样)来成像表面的形貌,从而开发出测量所需的技术纳米级的电压。

  当电极头接触到每个镍纳米粒子时,研究人员能够通过测量电压来记录空穴的堆积,这与测试电池输出电压的方式类似。

  出乎意料的是,在装置工作时测得的电压在很大程度上取决于镍纳米粒子的尺寸。小颗粒能够更好地选择收集激发出的正电荷而不是负电荷,从而降低了电荷复合的速率,并产生了更高的电压,可以更好地将水分子分开。

  Boettcher说,关键是镍纳米粒子表面的氧化会形成势垒,就像山谷中的重叠脊一样,可以防止带负电的电子流到催化剂并消除带正电的空穴。这种效应被称为“夹断”现象,据推测会在固态设备中发生数十年,但从未在形成燃料的光电化学系统中直接观察到。

  该研究的主要作者Forett Laskowski说:“这项新技术是研究电化学环境中纳米尺度特征状态的一种通用手段。” Forett Laskowski是Boettcher实验室的美国国家科学基金会研究生。“尽管我们的结果对理解光电化学能量存储很有用,但该技术可以更广泛地应用于研究主动运行系统(例如燃料电池,电池甚至生物膜)中的电化学过程。”

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  Laskowski现在是帕萨迪纳加州理工学院的博士后研究员。

  与Boettcher和Laskowski的合著者是:Sebastion Z. Oener,博士后研究员,由德国研究基金会(Deutsche Forschungsgemeinschaft)(德国研究基金会)资助;Michael R. Nellist,俄勒冈州希尔斯伯勒市英特尔公司的博士研究生;阿德里安·戈登(Adrian M. Gordon)今年获得了学士学位,现在是明尼苏达大学的博士学位;戴维·贝恩(David C. Bain),纽约圣劳伦斯大学(University of St. Lawrence University)的一名本科生,曾参加UO的夏季本科生研究经验计划,目前正在加州大学伯克利分校攻读博士学位;和UO博士生Jessica L. Fehrs。

  美国能源部的一笔赠款主要资助了这项研究,而原子力显微镜的购买则由美国国家科学基金会资助。该项目中使用的仪器基于俄勒冈州高级材料表征中心,由默多克信托基金会资助的俄勒冈州快速材料原型设计中心,面向全球研究人员的基于UO的高科技扩展服务。

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