a，示意圖顯示電極結(jié)構(gòu)。b，掃描電鏡顯示的電極頂視圖，是在原子層沉積之后，這樣沉積的是5（4納米氧化鋅/0.17納米三氧化二鋁）×11納米的二氧化鈦，隨后是電極位置的鉑納米粒子。來源：洛桑巴黎邦理高等聯(lián)工學(xué)院 

這一發(fā)現(xiàn)有可能改進(jìn)光電化學(xué)電池。以同樣的方式，植物利用光合作用把陽光轉(zhuǎn)化成能量，這些電池利用陽光來驅(qū)動化學(xué)反應(yīng)，最終產(chǎn)生的氫氣是來自水。這一過程涉及到使用感光半導(dǎo)電材料如氧化亞銅（cuprous oxide），用以提供電流，因為需要這樣來促進(jìn)反應(yīng)。雖然不貴，但這種氧化物是不穩(wěn)定的，如果在水中暴露于光線時就是這樣。這項研究的開發(fā)者是阿德里安娜•啪啦奇諾（Adriana Paracchino）和以利亞•西姆森（Elijah Thimsen），發(fā)表在2011年5月8日的雜志《自然•材料》上，研究表明，這一問題可以解決，只需覆蓋半導(dǎo)體，蓋上原子薄膜，這要使用原子層沉積（ALD：atomic layer deposition）技術(shù)。主管是邁克爾•格洛采兒（Michael Grätzel）教授，他們是在洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院光子學(xué)與接口實驗室（Laboratory of Photonics and Interfaces）進(jìn)行的，這兩位科學(xué)家取得了這樣顯著的成就，結(jié)合使用的技術(shù)都是屬于產(chǎn)業(yè)規(guī)模的，然后把它們應(yīng)用到制氫問題。采用他們的工藝，氧化亞銅可以簡單而有效的受到保護(hù)，不會接觸水，這就有可能用它作為一種半導(dǎo)體。優(yōu)勢很多：氧化亞銅可以大量獲取，很便宜；保護(hù)層完全不透水，盡管有粗糙的表面；這個工藝很容易升級到工業(yè)制備。

一項很有前途的技術(shù)

該研究小組開發(fā)這一技術(shù)時，做法是“培育”層狀氧化鋅和氧化鈦，每次都是一個原子厚，是在氧化亞銅表面進(jìn)行。利用原子層沉積技術(shù)，他們能夠控制保護(hù)層厚度，精確到單個原子，在整個表面都是這樣。這種精度保證了穩(wěn)定的半導(dǎo)體，同時保留了全部產(chǎn)氫效率。下一步研究將改進(jìn)保護(hù)層的電學(xué)特性。

使用可廣泛獲得的材料和技術(shù)，可以輕松地擴大規(guī)模，這就帶來了“綠色”光電化學(xué)生產(chǎn)的氫，更接近產(chǎn)業(yè)興趣。

這種清潔高效的方式可以解決供應(yīng)有限化的石燃料和溫室效應(yīng)，生產(chǎn)氫燃料時采用陽光和水，這需要一種半導(dǎo)體和水相結(jié)合的光電化學(xué)電池，這樣能源收集和水的電解都結(jié)合到一個單一的半導(dǎo)體電極上。我們展示了一種高活性光電陰極，用于太陽能制氫，其中包含的電鍍氧化亞銅需要保護(hù)，以防止光電陰極分解，在水中，采用的納米層是鋁摻雜的氧化鋅和鈦氧化物，激活之后用于氫的演變需要電鍍鈀納米粒子。不同的表面保護(hù)元件的作用都進(jìn)行了研究，最好的情況下，顯示的電極光電流達(dá)-7.6微安cm2，電勢是0伏，相對的是可逆氫電極，具有溫和的pH值。這些電極測試1小時后仍然活躍，氧化亞銅被發(fā)現(xiàn)是穩(wěn)定的，在水還原反應(yīng)中就是這樣，法拉第效率（Faradaic efficiency）估計是接近100％。

更多信息：《高度活性氧化物光電陰極用于光電化學(xué)水分解》（Highly active oxide photocathode for photoelectrochemical water reduction）