三年前，密歇根大学（Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｍｉｃｈｉｇａｎ）的科学家们发现了一种由硅和氮化镓（Ｓｉ／ＧａＮ）制成的人工光合作用装置，它利用阳光转化为无碳氢，用于燃料电池，其效率和稳定性是之前一些技术的两倍。

现在，劳伦斯·利弗莫尔和劳伦斯·伯克利国家实验室的科学家们与密歇根大学合作，发现了硅氮化镓中一种令人惊讶的、自我改善的特性，这有助于这种材料在将光和水转化为无碳氢方面的高效和稳定性能。这项发表在《自然材料》（Ｎａｔｕｒｅ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）杂志上的研究，可能有助于从根本上加速人工光合作用技术和氢燃料电池的商业化。

太阳能燃料系统中的材料通常会降解，变得不那么稳定，因此产生氢气的效率也会降低，但该团队发现硅氮化镓的一种不同寻常的特性使其变得更高效和稳定。

以往的人工光合材料要么是性能优异但缺乏耐久性的吸光材料，要么是缺乏光吸收效率的耐用材料。

但是硅和氮化镓是丰富而廉价的材料，它们被广泛用作日常电子产品的半导体，如发光二极管和太阳能电池，共同作者Ｚｅｔｉａｎ　Ｍｉ说，他是密歇根大学电子和计算机工程教授，十年前发明了Ｓｉ／ＧａＮ人工光合装置。

当Ｍｉ的Ｓｉ／ＧａＮ装置达到了创纪录的３％的太阳能氢效率时，他想知道这样普通的材料是如何在一个奇异的人工光合作用装置中表现得如此出色的－所以他向资深作者，伯克利实验室的科学家Ｆｒａｎｃｅｓｃａ　Ｔｏｍａ寻求帮助。

采用团队科学方法开发太阳能燃料

Ｍｉ已经了解了Ｔｏｍａ在先进显微镜技术方面的专业知识，该技术可以通过美国能源部氢和燃料电池技术办公室的氢来探测纳米级（十亿分之一米）的人工光合作用材料的特性。

ｈｅｄｒｏＧＥＮ是一个由国家可再生能源实验室领导的国家实验室联盟，促进国家实验室、学术界和工业之间的合作，以开发先进的水分解材料。

Ｔｏｍａ和伯克利实验室化学科学部的博士后曾国松（音译）怀疑ＧａＮ可能在该设备的产氢效率和稳定性方面发挥了重要作用。

为了找到答案，曾进行了一个光导原子力显微镜实验，以测试ＧａＮ光热极如何有效地将吸收的光子转换成电子，然后招募这些自由电子将水分解成氢气，然后材料开始降解，变得不那么稳定和高效。

他们观察到ＧａＮ颗粒“侧壁”上的小面使材料的光电流提高了２－３个数量级。随着时间的推移，这种材料的效率也有所提高，尽管这种材料的整体表面没有发生太大的变化。

为了收集更多的线索，研究人员在伯克利实验室的分子铸造国家电子显微镜中心招募了扫描透射电子显微镜（ＳＴＥＭ）和依赖角度的ｘ射线光子光谱（ＸＰＳ）。

这些实验揭示了一个由镓、氮和氧混合的１纳米层——或氧化氮镓——已经沿着一些侧壁形成。发生了化学反应，增加了“产氢反应的活性催化点，”Ｔｏｍａ说。

由共同作者Ｔａｄａｓｈｉ　Ｏｇｉｔｓｕ和Ａｎｈ　Ｐｈａｍ在ＬＬＮＬ进行的密度泛函理论（ＤＦＴ）模拟证实了他们的观测结果。Ｏｇｉｔｓｕ说：“通过计算材料表面特定部位化学物质分布的变化，我们成功地发现了一种与氧化氮化镓作为析氢反应中心的发展相关的表面结构。”“我们希望我们的发现和方法——一个紧密结合的理论和实验的合作，由ＨｙｄｒｏＧＥＮ财团支持——将被用于进一步改进可再生氢生产技术。”

展望未来，Ｔｏｍａ说她和她的团队想在水分解光电化学电池中测试硅／氮化镓光电阴极，曾将用类似的材料进行实验，以更好地了解氮化物如何促进人工光合装置的稳定性——这是他们从未想过的事情。

“这完全令人惊讶，”曾说。这没有意义，但是Ｐｈａｍ的ＤＦＴ计算给了我们需要的解释来验证我们的观测。我们的发现将帮助我们设计出更好的人工光合作用设备。”