一种廉价的生成清洁燃料的方法是现代哲学家的石头。一个令人信服的想法是使用太阳能将水分解成其组成的氢和氧，然后收获氢用作燃料。但是，有效地分解水并不是那么容易。
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现在，芝加哥大学分子工程研究所(IME)和威斯康星大学的两位科学家为这项工作做出了重要贡献，提高了关键流程的效率，并提供了可在更广泛的应用中应用的新概念工具。用阳光分开水。他们的研究结果于10月26日在Nature Communications上发布。
Kyoung-Shin Choi是威斯康星大学麦迪逊分校化学教授，也是实验主义者。Giulia Galli是IME的电子结构和模拟的Liew家庭教授和理论家。通过合作，两人找到了一种方法来提高效率，用于分裂水的电极吸收太阳光子，同时改善电子从一个电极到另一个电极的流动。
模拟使他们能够理解在原子水平上发生的事情。“我们的研究将鼓励该领域的研究人员开发出使用单一治疗改善多种过程的方法，”Choi说。“因此，这不仅仅是为了实现更高的效率，而是为该领域提供战略。”
激发电子
在建造太阳捕获电极时，科学家们的目标是尽可能多地利用太阳光谱来激发电极中的电子从一种状态移动到另一种状态，在那里它们可用于水分解反应。同样重要的是，但完全是一个单独的问题，电子需要容易地从电极移动到反电极，从而产生电流。到目前为止，科学家不得不使用单独的操作来增加光子吸收和电子在他们正在测试的材料中的运动。
Choi和博士后研究员Tae Woo Kim发现，如果他们将由半导体化合物钒酸铋制成的电极加热至350摄氏度，同时在其上方流动氮气，则将一些氮气加入到化合物中。
结果是光子吸收和电子传输均显着增加。目前尚不清楚的是氮是如何促进观察到的变化的。所以Choi转向理论家Galli，看看她对系统的模拟能否提供对正在发生的事情的洞察力。
氮的作用
Galli和前研究生袁平现在是加州理工学院的博士后发现，氮气以多种方式作用于电极。已知在流动氮气的同时加热样品从钒酸铋中提取氧原子，产生“缺陷”。Galli的团队发现这些缺陷增强了电子的传输。但更有趣的是，他们发现掺入化合物中的氮增加了电子的传输，而与缺陷无关。
最后，氮气降低了将电子踢入可用于分裂水的状态所需的能量。这意味着电极可以使用更多的太阳能。“现在我们了解微观层面正在发生的事情，”加利说。“所以人们可以使用这些概念 - 将新元素和新缺陷整合到材料中 - 在其他系统中尝试提高效率。这些是非常普遍的概念，也可以应用于其他材料。”
实验主义者和理论家彼此需要，这在科学中是不言自明的。但是，正如Galli和Choi的团队所做的那样，从项目一开始就进行协作实际上并不常见。这两个人通过科学基金会的一项名为“化学创新中心 - 太阳能”的计划，由加州理工学院的哈里·B·格雷教授领导。该中心促进科学合作，旨在提出一种分水装置。
“我们来自非常不同的领域，”加利说。“但在这个项目中，我们有一个共同的焦点和一个共同的问题需要解决。我们还需要相互学习很多东西。合作非常棒。”
崔同意了。她说：“当理论和实验结合在一起时，可以同时实现性能提升和对正在发生的事情的原子级理解。”这是理想的结果。
