利用原子力显微镜绘制光电化学器件的纳米级界面

光电电化学装置捕捉光能并产生替代的储能化合物。这些设备依靠半导体来捕捉光能，依靠纳米催化剂来驱动化学反应。然而，这两个组件一起工作的方式并没有被很好地理解。

在最近的一项研究中，俄勒冈大学的科学家提出了一种在操作系统中绘制半导体表面和单个纳米催化剂颗粒之间界面的电化学特性的方法。欧洲杯猜球平台在操作中原子力显微镜(AFM)。

太阳能电池板是一种光电化学装置，可捕获光能并产生可供使用或储存的替代能源。（图片来源：Gencho Petkov/Shutterstock.com）。

自20世纪70年代第一次石油危机以来，科学家们一直专注于寻找替代能源。此外，在过去的几十年里，对气候变化的日益关注也促使人们加大了对碳中性燃料的探索。捕捉光能来发电和储能化合物，如氢和碳氢化合物，是一种有吸引力的绿色能源，而且，不出所料，近年来一直是一个研究的热点领域。

光电化学装置利用来自光的能量来催化化学反应并产生替代燃料分子。它们依靠半导体捕捉光能并产生电荷，利用纳米催化剂转移电荷并使电解质溶液中的化学反应成为可能。

了解光电化学器件中的材料是如何一起工作的，这欧洲杯足球竞彩对于提高效率和设计更好的技术来捕获和存储光能是至关重要的，但需要先进的表征技术，在电池工作时在原位工作。¹

光电化学器件依赖于材料的组合欧洲杯足球竞彩

半导体通常在充满的价带和空的导带之间有一个很小的带隙(大约1ev)。在光电化学装置中，光能激发电子使其跃迁到导带，从而在导带中产生电子对和价带中的空穴(正电荷)。半导体表面的催化剂纳米颗粒收欧洲杯猜球平台集电子或空穴，然后在化学反应中使用，形成燃料分子(例如2H⁺+2e^-→H₂).

理解界面是设计光电化学电池的关键

催化剂通常以纳米颗粒的形式沉积在光活性半导体表面，因此它们可以收集催化反应所需的电子或空穴，但它们不会阻止光线照射半导体。催化剂和半导体之间的界面是光电化学装置中最关键的部分之一，欧洲杯猜球平台但也是一个尚未完全理解的部分。

我们所知道的是，这些界面的性质因所使用的材料、沉积技术、表面处理和颗粒大小而有很大的不同。欧洲杯足球竞彩更重要的是，界面的特征会随着设备的运行而改变，所以要完全理解电化学电池中的材料是如何运行的，需要在原位进行，欧洲杯足球竞彩在操作中表征技术。¹

研究纳米级界面需要尖端技术

设计光电化学装置的科学家必须能够理解和控制半导体和纳米催化剂之间的电子和空穴流动。然而，当设备运行时，原位表征纳米级半导体/催化剂界面可能非常具有挑战性。

原子力显微镜(AFM)是表征光电化学器件界面的最佳方法之一，因为它能在各种环境中提供纳米尺度的表面映射。

原子力显微镜使用一种叫做悬臂的机械探针来扫描材料的表面。机械探针的使用意味着原子力显微镜可以达到比光学显微镜技术更高的分辨率(低至纳米级)，因此它非常适合用于纳米级表面表征。²

原子力显微镜可以测量光电化学电池中非常重要的电子性能。然而，大多数AFM技术只能测量表面上的平均电流和平均电压。需要更高的空间分辨率才能真正理解在光电化学器件的界面上发生的事情。²

开尔文探针力显微镜（KPFM）是原子力显微镜的一种非接触形式，能够提供表面成分和电子特性的纳米级映射。虽然KPFM在某些液体中工作，但它不能很好地处理移动离子，例如存在于电解质溶液中的离子，因此它不太适合于光电化学电池中材料的原位表征。欧洲杯足球竞彩^2，3

最新的在操作中AFM技术用于绘制纳米尺度界面的特性

由美国能源部资助的俄勒冈大学的一组研究人员发现了一种新的方法，可以在操作光电化学系统中原位研究纳米级半导体/催化剂界面。

该研究小组使用了一种名为电位感应电化学AFM (PS-EC-AFM)的技术，该技术使他们能够在覆盖较密的基片表面绘制单粒子界面的特性。他们的研究结果发表在本月初的《自然材料》杂志上。欧洲杯足球竞彩⁴

PS-EC-AFM是一种接触原子力显微镜技术，使用电位传感探针直接测量表面电化学电位。当电极接触到表面时，系统测量在那一点的电压，然后就可以测量表面上的空穴或电子的积聚。因此，该技术提供了表面光电化学性质的空间映射。⁵

PS-EC-AFM需要绝缘的纳米电极，所以科学家们使用了一个专门的PeakForce SECM探针和一个布鲁克尺寸图标原子力显微镜PeakForce轻击模式。这种组合使他们能够定量测量模型光电化学器件的电子性能，特别是单个Ni纳米催化剂粒子与密集覆盖的n-Si光电阳极表面之间的界面。欧洲杯猜球平台

研究人员使用点对点模式将探针尖端定位在原位纳米颗粒上，使他们能够在系统运行时观察每个半导体/催化剂颗粒界面光电化学析氧过程中产生的光电压。欧洲杯猜球平台^4,6

在操作之前，他们测量了所有镍纳米颗粒上约300 mV的光电压，与它们的大小无关。当系统运行时，他们测量到更高的光电压，电压取决于镍颗粒的大小。欧洲杯猜球平台

研究小组得出结论，当系统运行时，纳米颗粒表面的镍被氧化为NiOOH，导致半导体/催化剂界面周围有一个大的耗尽区，从而提高了空穴的界面选择性，这一现象被称为“夹断”效应。欧洲杯猜球平台

更小的镍颗粒是更有效的氧欧洲杯猜球平台化催化剂，导致更多的NiOOH和孔的选择性增加，解释了光电测量的尺寸依赖性。⁴

下载:基于afm的扫描电化学显微镜(SECM)。

原子力显微镜为更好的光电化学装置打开了大门

俄勒冈大学的这项研究是研究人员首次在操作的光电子器件中，以纳米尺度的空间分辨率，观察到半导体光电电极表面原位纳米催化剂粒子之间的界面特性。欧洲杯猜球平台

半导体/催化剂界面的电化学性能差异非原位与原地相比突出了重要性在操作中光电化学器件材料表征技术。欧洲杯足球竞彩

作者希望，他们的技术将用于改进一系列光电化学技术和其他界面重要的电化学设备（如电池和燃料电池）的设计和效率。⁷

工具书类

1. “光电化学太阳能燃料生产:从基本原理到先进设备”-Giménez S, Bisquert J，技术与工程，2016。
2. “导电原子力显微镜：在纳米材料中的应用”——Lanza M，John Wiley&Sons，2017年。欧洲杯足球竞彩
3. “利用电化学力显微镜探测固液界面电荷筛选动力学和电化学过程”- Collins L, Jesse S, Kilpatrick KI等人，自然通讯，2014。
4. “光电化学中的纳米级半导体/催化剂界面”- Laskowski FAL, Oener SZ, Nellist MR, et al.， Nature Materials, 2019。欧洲杯足球竞彩
5. “用于水裂解催化剂和界面操作分析的电位传感电化学原子力显微镜”——Nellist MR，Laskowski FAL，Qui J，等人，自然能源，2018年。
6. “光电化学中的纳米级半导体/催化剂界面”——Forrest A.L.Laskowski等人，《自然材料》，2019年。欧洲杯足球竞彩
7. “维图标”点击这里了解更多信息。

本信息来源于Bruker Nano Surfaces提供的材料，经过审查和改编。有关此来源的更多信息，请访问欧洲杯足球竞彩力量纳米表面。