受叶片中一种化学过程的启发，加州理工学院的科学家开发出一种导电薄膜，有望为研制能够利用阳光分解水、制取氢燃料的装置铺平道路。
将这种氧化镍薄膜应用于硅等半导体材料时，它可以防止锈蚀形成，并促进太阳能驱动的燃料生产中的一项重要化学过程，例如生产甲烷或氢气。
“我们开发出一种新型保护涂层，使太阳能驱动燃料生产中的一项关键过程能够以创纪录的效率、稳定性和效能进行；而且整个系统本质上安全，不会产生氢气和氧气的爆炸性混合物，” 内特·刘易斯说。他是加州理工学院乔治·L·阿吉罗斯教授、化学教授，也是这项新研究的合著者。该研究介绍了这种薄膜，于3月9日当周发表在《美国国家科学院院刊》网络版上。
这项进展有望推动安全、高效的人工光合作用系统的发展。这类系统也称为太阳能燃料发生器或“人造叶片”，能够复制植物利用阳光、水和二氧化碳进行光合作用的自然过程，将它们转化为氧气和以碳水化合物（即糖）形式存在的燃料。
刘易斯团队正在加州理工学院的 人工光合作用联合中心（JCAP） 部分开展人造叶片的研发。它由三个主要部分组成：两个电极——光阳极和光阴极——以及一层膜。光阳极利用阳光氧化水分子，产生氧气、质子和电子；光阴极则使质子和电子重新结合，形成氢气。通常由塑料制成的膜将两种气体隔开，以消除任何爆炸可能，并使气体能够在压力下收集，从而安全地送入管道。
科学家曾尝试用硅或砷化镓等常见半导体制造电极。这些材料既能吸收光，也用于太阳能电池板，但一个主要问题是，接触水时它们会形成氧化层（即锈）。
刘易斯和其他科学家曾尝试为电极制作保护涂层，但此前的尝试都因各种原因未能成功。“涂层需要满足很多要求：与其试图保护的半导体在化学性质上相容、不透水、导电、对入射光高度透明，并且对产氧和燃料的反应具有很强的催化作用，”刘易斯说。他也是JCAP的科学主任。“打造出具备其中任一特性的保护层，都会是重大进步；而我们现在发现了一种能够同时满足所有这些要求的材料。”
团队已证明，其氧化镍薄膜与多种半导体材料相容，包括硅、磷化铟和碲化镉。应用于光阳极时，氧化镍薄膜的性能远超其他类似薄膜——其中包括刘易斯团队就在去年研发的一种薄膜。那种薄膜结构更复杂，由两层而非一层组成，主要成分是二氧化钛（TiO2，也称钛白），这是一种天然存在的化合物，也用于制造防晒霜、牙膏和白色涂料。
“看到光阳极在创纪录的性能下运行，24小时、接着100小时、再到500小时都没有明显退化，我就知道我们做到了科学家此前未能做到的事，”刘易斯实验室的博士后、这项新研究的第一作者孙科说。
刘易斯团队开发了一种制备氧化镍薄膜的技术：在富氧环境中，以高速将氩原子轰击镍原子靶材。“从靶材上溅射出来的镍碎片会与氧原子反应，形成氧化态的镍，并沉积到半导体上，”刘易斯说。
至关重要的是，团队的氧化镍薄膜能够与隔开光阳极和光阴极、并错开氢气和氧气产生时间的膜协同工作。
“没有膜时，光阳极和光阴极彼此足够接近，可以导电；如果高度活泼的氢气和氧气气泡还在同一地点、同一时间产生，那就无异于埋下灾难的隐患，”刘易斯说。“有了我们的薄膜，你就能建造一种安全、不会爆炸、经久耐用且高效的装置。”
刘易斯提醒说，科学家距离开发出能够将阳光转化为燃料的商业产品还有很长的路要走。系统的其他组件，例如光阴极，也仍需完善。
“我们的团队也在研究光阴极，”刘易斯说。“我们必须把这两个要素结合起来，并证明整个系统能够运行。这并不容易，但现在我们已经找到了这一领域过去半个世纪以来一直未能解决的关键缺失环节之一。”
除刘易斯和孙科外，论文《由透明催化氧化镍薄膜保护的半导体光阳极稳定地太阳能驱动水氧化》的其他作者还包括加州理工学院研究生法德尔·萨阿迪、迈克尔·利希特曼、周星皓、诺亚·普莱莫尔和斯特凡·奥梅尔琴科；南安普顿大学的威廉·黑尔；沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学的王欣萍和何济豪；加州理工学院科学研究经理金伯利·帕帕丹托纳基斯；以及加州理工学院分子材料研究中心主任布鲁斯·布伦施维格。经费由美国能源部科学办公室、美国国家科学基金会、贝克曼研究所以及戈登与贝蒂·摩尔基金会提供。
本文由 加州理工学院合作发布。文章的发表并不代表世界经济论坛认同其中的观点。
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作者：Ker Than 是加州理工学院特约撰稿人。
图片：一株正在生长的植物特写。路透社。
