使用原子力显微镜在光电化学器件中映射纳米级接口

光电化学器件捕获光能并产生替代储能化合物。这些装置依赖半导体来捕获光能，纳米催化剂以推动化学反应。然而，两个组分在一起的方式并不充分了解。

在最近的研究中，科学家在俄勒冈大学提出了一个方法来在操作系统中使用的半导体表面和单个纳米催化剂颗粒之间的界面的电化学特性映射yabo214operando原子力显微镜（AFM）。

太阳能电池板是光电化学装置捕获光能并产生用于使用或储存的替代能源。（图像信用：Gencho佩特科夫/ Shutterstock.com）。

自20世纪70年代的第一次石油危机以来，科学家们一直专注于寻找替代能源来源。此外，对气候变化的不断担忧加剧了过去几十年中对碳中性燃料的搜索。捕获光能以产生电力和储能化合物，如氢气和烃类，是一种吸引力的绿色能源，并且不陈占塞，近年来一直是一个激烈的研究领域。

光电化学器件利用光的能量来催化化学反应并产生替代燃料分子。它们依靠半导体来捕获光能并产生电荷，以及纳米催化剂以转移电荷并使电解质溶液中的化学反应能够。

了解光电化学器件功能中的材料如何以及提高效率亚博网站下载和设计更好的技术来捕获和存储光能，而是需要在电池运行时原位工作的先进表征技术。¹

光电化学器件依赖于材料的组合亚博网站下载

半导体通常在填充的价带和空传导带之间具有小带间隙（约1eV）。在光电化学器件中，光能激发电子，使它们可以跳到导通带，导管，在导通带中产生电子对和价带中的孔（正电荷）。半导体表面上的催化剂纳米颗粒yabo214收集电子或孔，然后在化学反应中用于形成燃料分子（例如2h⁺+ 2E^-→H.₂）。

了解界面对于设计光电化学细胞至关重要

催化剂通常沉积到光敏半导体表面以纳米颗粒的形式，这样他们可以收集他们需要催化反应中的电子或空穴，但它们不阻挡从撞击半导体光。yabo214催化剂和半导体之间的接口是一个光电化学装置的最关键部分之一，但也一个不完全理解。

所知的是，这些接口的性质取决于所用材料，沉积技术，表面处理和颗粒尺寸。亚博网站下载更重要的是，当设备运行时，接口的功能可以改变，因此可以完全了解电化学电池中的材料如何运行的原位，亚博网站下载operando表征技术。¹

研究纳米级接口需要尖端技术

设计光电化学装置的科学家必须能够理解和控制电子的流动和半导体和纳米催化剂之间的空穴。然而，当器件运行时，在原位表征纳米级半导体/催化剂界面是非常具有挑战性的。

原子力显微镜（AFM）是因为它在各种环境下提供纳米级表面映射在光电化学装置表征接口的最佳候选之一。

AFM涉及使用称为悬臂的机械探针扫描材料的​​表面上。使用机械探针的装置原子力显微镜可以实现高得多的分辨率（降低到纳米的分数）大于光学显微镜技术，所以它是非常适合的纳米级表面特征。²

AFM可以测量光电化学电池中重要的电子性质。然而，大多数AFM技术只能测量表面的平均电流和平均电压。需要更大的空间分辨率来真正了解光电化学设备中正在发生的内容。²

开尔文探针力显微镜（KPFM），原子力显微镜以非接触的形式，是能够提供组合物和表面的电子性质的纳米级映射。而KPFM工作在一些液体，它不能与移动离子，如那些存在于电解质溶液应付很好，所以它不能很好地在材料中光电化学电池原位表征适合。亚博网站下载^2,3

最新的operando用于映射纳米级接口的属性的AFM技术

由能源部资助的俄勒冈大学的研究人员已经找到了一种在操作光电化学系统中研究纳米级半导体/催化剂界面的新方法。

该团队使用称为电化学电化学AFM（PS-EC-AFM）的技术，其允许它们在密集地覆盖的基板表面上映射单粒子接口的性质。他们的结果本月早些时候在自然材料中发表。亚博网站下载^4.

PS-EC-AFM是一种接触原子力显微镜技术，它使用电位感测探针直接测量表面电化学电位。当电极接触表面时，系统可以测量该点的电压，并且可以测量表面上的孔或电子的积聚。结果，该技术提供了表面的光电化学特性的空间映射。^5.

PS-EC-AFM需要绝缘纳米电极，因此科学家使用专门的Peailforce Secm探头和一个布鲁克尺寸图标AFM在Peakforce攻丝模式下。该组合使它们能够定量地测量模型光电化学器件的电子性质，特别是单纳米纳米催化剂颗粒和密度覆盖的N-Si光电表面之间的界面。yabo214

使用点和射击模式研究人员来定位探针的尖端上原位纳米颗粒，使他们能够观察在系统正在操作在每个单独的半导体/催化剂粒子界面光电化学氧演化过程中产生的光电压。yabo214^4,6

在操作前，他们测量的大约300毫伏的光电压在所有的镍纳米颗粒，独立于它们的尺寸。yabo214当系统工作时，它们测量高得多的光电压和电压依赖于镍颗粒的尺寸。

The team concluded that when the system was operating, the Ni at the surface of the nanoparticles was oxidized to NiOOH, leading to a large depletion region around the semiconductor/catalyst interface, which enhanced the interfacial selectivity for holes, a phenomenon known as a ‘pinch-off’ effect.

较小的Ni颗粒是更有效的yabo214氧化催化剂，导致更多的NOOH和孔的选择性增加，解释了光伏测量的尺寸依赖性。^4.

下载：基于AFM的扫描电化学显微镜（SECM）。

AFM打开门，以便更好地光电器件

俄勒冈大学学习代表研究人员首次观察到在操作光电子器件中的单个粒度上的纳米级空间分辨率在半导体光电极表面上在原位纳米催化剂颗粒之间观察到在原位纳米催化剂颗粒之间的性能。yabo214

半导体/催化剂界面的电化学性质的差异前原因与原位相比强调了重要性operando技术用于光电化学装置表征材料。亚博网站下载

作者希望他们的技术将被用于提高一个光电化学范围的技术和其它电化学装置，其中接口是重要的，如电池和燃料电池的设计和效率。^7.

参考文献

1. '光电化学太阳能燃料生产：从基本原则到先进的设备'-Giménezs，Bisquert J，Technology＆Engineering，2016。
2. “导电原子力显微镜：在纳米材料的应用” - 兰扎男，John Wiley和Sons，2017年。亚博网站下载
3. 用电化学力显微镜探测电荷筛选动力学和电化学工艺 - 柯林斯L，Jesse S，Kilpatrick Ki等，自然通信，2014。
4. 在光电化学'中的纳米级半导体/催化剂界面 - Laskowski Fal，Oen​​er SZ，Nellist Mr，等人，自然材料，2019。亚博网站下载
5. “潜在的感测在水分解催化剂和接口的operando分析电化学原子力显微镜对” - Nellist MR，郭先生FAL，魁J，等人，Nature能源，2018。
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。亚博网站下载
7. '维度图标' -单击此处获取更多信息。

此信息已经来源，审议通过布鲁克纳米面提供的材料改编。亚博网站下载有关此来源的更多信息，请访问布鲁克纳米表面。