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编译服务: 纳米科技领域信息门户服务 编译者: 郭文姣 编译时间: Oct 8, 2019 点击量: 219

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)的收集要比激发的负电荷(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,由于界面处的物理性质,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合作,通过敲击尖锐的尖端来成像表面的形貌-就像盲人敲打甘蔗一样,以开发所需的技术在纳米级测量电压。

当电极尖端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,这类似于测试电池输出电压的方式。

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方法。” Forett Laskowski是美国国家科学基金会Boettcher实验室的研究生。 “尽管我们的结果对于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。”

——文章发布于2019年10月7日

 

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