美國研究人員最近開發出一種新方法，能夠實時觀察陽光轉化為燃料的過程，甚至達到納米級別的精確度。這組耶魯大學的研究團隊如今能夠清晰地看到光驅動催化劑如何將水分解為氫和氧，以及電子和空穴如何在材料中移動。負責該研究的化學環境工程教授胡澍表示：「我們對這種方法感到興奮，因為它讓我們能以不尋常的現實性和解析度觀察到光催化劑的實際運作。」
這項研究展示了一種全新的方式，能夠在實時及約 10 奈米的極小尺度上觀察光催化劑的工作。這一突破克服了該領域的一個關鍵限制，並可能有助於改進利用陽光生產清潔燃料和化學品的技術。研究的結果揭示了還原與氧化兩個化學反應之間的精確分界，根據新聞稿，這一見解可能為設計更優質的太陽能燃料材料鋪平道路。
研究團隊創建了一個系統，能夠同時進行安培和電位測量。安培測量用於計算流動電子的數量，電位測量則確定推動電子的電壓。為此，他們製作了一個「納米尖端」，這是一種非常脆弱的納米級石英尖端，中央有一根納米級的鉑線。研究的一大挑戰是如何將納米尖端與表面物理接觸而不損壞它，同時保持非常精確的定位控制。
研究人員驚訝地發現，他們不僅能夠測量金屬表面的電流，還能在光照下測量半導體材料的電壓，胡教授說。這項工作引入了一種獨特的方法，基於單一設置使用接觸安培/電位光掃描電化學顯微鏡進行光電化學過程的定量高解析度測量。
研究人員指出，太陽能光催化將陽光轉化為能量的潛力，為可持續和成本效益高的能源及化學品生產提供了希望。然而，推進這項技術的過程受到對其工作原理理解不足的阻礙。研究顯示，這種方法能夠解決納米級共催化劑在半導體上光催化反應性的空間變化，空間解析度達到約 10 奈米。
在 Pt/Nb:TiO2 系統中，該方法識別出約 150 奈米間隔的陰極和陽極位置，局部表面電位分別約為 −0.53 V 和 +0.58 V。研究人員補充道，結構/組成和光譜分析顯示，在氧化水分解條件下，金屬鉑和氧化鉑物種共存，建立了不對稱的表面能量，這與約 1.5 eV 的局部能帶邊緣位置差異一致，進而驅動了 Nb:TiO2 中的定向載流子分離。這項研究的成果發表在《美國國家科學院院刊》上。
