如图所示是把水分解成氢气，并获取氢燃料的一种技术。这张图片描述了在感光电极材料(BiVO4)上水分解的过程，这是威斯康辛大学的研究人员经过实验和计算的研究结果。图片来源: Peter Allen。

利用廉价的方法生成清洁燃料是当今学术研究的热点。比较有价值的想法是利用太阳能将水分解成氢气和氧气，然后获取氢作为燃料使用。但事实证明，分解水并不是那么容易。

现在，芝加哥大学分子工程研究所(IME)和威斯康辛大学的两位科学家为此做出了重要贡献，开发出提高水分解效率的关键技术，有助于将利用太阳光分解水的应用拓展更广。该研究结果发表在10月26日的Nature Communications上。

Kyoung-ShinChoi 是威斯康辛大学的化学教授，而Madison则是一位实验物理学家。Giulia Galli 是IME 的电子结构和模拟学教授和理论家。经过共同的努力，两位科学家找到了一种提高水分解效率的技术，这种技术通过吸收太阳能光子，从而改善了电子在电极间的传递。

仿真技术有助于在原子层面理解电池的反应过程。Choi 说：“我们的研究有助于鼓励该领域的研究人员从使用单一方法到开发多种技术来改善水分解过程。这种技术不仅仅实现了水更高效率的分解，还开拓了该领域研究。”

激发电子

在建立太阳能电极时，科学家希望尽可能多地利用太阳光谱激发电子在两个电极间的传递，从而促进水的分解反应。但另一个问题冒了出来，电子需要很容易地从一个电极移动到另一个电极，形成电流。为此，科学家们不得不单独进行提高光子吸收和电子运动的研究。

Choi 和博士后研究员TaeWoo Kim发现，如果在流动的氮气气氛中用350摄氏度下加热复合钒酸铋半导体电极，氮元素就会被化合物吸收。

该项研究显著增加了光子吸收和电子传递效率。由于不清楚氮是如何促进水分解的过程，所以Choi 向理论家Galli请教可否利用模拟系统深入了解水分解的过程。

氮的作用

Galli和研究生Yuan Ping（现在是加州理工学院的博士后）发现，氮在电极中的作用体现在几个方面。在流动的氮气中，加热的钒酸铋中的氧原子出现缺陷。Galli的研究小组发现，这些缺陷的存在提高了电子的运输。更有趣的是，氮被化合物吸收后，增加了电子在缺陷中的传递性。

最后，氮降低了分解水所需要的能量。这意味着更多的太阳能可以作用于电极。Galli说：“现在，我们正在试图从微观层面了解这一过程。人们可以利用这一新的概念——在材料中植入新元素和新缺陷——以通过利用其他系统来提高水分解的效率。这是非常普适的概念，也可以应用于其他材料。”

这一理论需要在科学实验中予以证实。但实际上，像Galli和 Choi这一合作研究的事例并不是太常见。这两个研究团队一起通过了国家科学基金会计划“化学创新中心——太阳能”，这是加州理工学院的教授Harry B. Gray领导的。该科学中心的合作旨在开发分解水的设备。

Galli说：“我们来自不同的研究领域。在这个项目中，我们达成了共识，也互相学到了很多东西。合作很棒。”

Choi表示同意：“当理论和实验相结合，就可以同步进行性能的改进和原子水平的解释，这是最理想的结果。”

资讯来源:芝加哥大学。

新材料在线编译整理——翻译：陈琼     校正：摩天轮