加州理工学院George L. Argyros和化学教授Nate Lewis实验室博士后Ke Sun凝视着一个新的保护膜样品，这种保护膜有助于利用太阳光产生燃料过程的发展。（版权：Lance Hayashida/Caltech Marcomm）

加州理工学院的科学家们从在树叶中发现的化学过程中获得灵感，开发了一种有助于利用太阳光分解水制氢燃料的导电薄膜。

当将氧化镍薄膜应用于硅等半导体材料时，可以防止生锈，促进由太阳能驱动的如甲烷或氢燃料生产的重要化学过程。

“我们开发了一种新型的保护涂层，可以使由太阳能驱动的燃料生产的关键过程以创纪录的效率、稳定和有效地进行，并且整个系统是安全的，不产生可爆炸的氢气和氧气的混合气体。”3月9日在线发表于Proceedings of the National Academy of Sciences期刊的研究论文合作作者、加州理工学院George L. Argyros和化学教授Nate Lewis如此描述这种薄膜。

人工光合作用系统，也称之为太阳燃料或者“人工树叶”，是指人为的复制植物将太阳光、水、二氧化碳转换成氧气和以碳水化合物或糖形式存在的燃料的光合作用自然过程。该项研究有助于人工光合作用安全、有效的进行。

加州理工学院人工光合作用联合中心（JCAP）Lewis团队开发的人工树叶包含有三个主要成分：两个电极——光阳极和光阴极，以及一层隔膜。光阳极利用太阳光氧化水分子产生氧气、质子和电子；与此同时，光阴极将质子和电子重新结合成氢气。通常由塑料合成的隔膜确保两种气体分离，使得气体在压力下安全地进入管道实现收集，以免发生任何爆炸的可能。

科学家们尝试利用常见的已经被用于太阳能电池板的可吸光的硅、砷化镓等半导体来制备电极，但都出现一个致命的问题，当这些半导体暴露于水中时会生成氧化层，也就是生锈。

Lewis和其他科学家试验制备保护涂层用于电极，但所有尝试都以各种原因失败。“你想要的涂层能做很多事情：与你试图保护的半导体具有化学相容性、不透水、导电、对入射光高度透明、对生成氧气和燃料的反应具有高效的催化。”JCAP科研主任Lewis说，“制备的保护层只要能表现出以上这些属性中的任何一个，都将是一个重要的进步，但我们现在发现的是一个可以一次性完成所有事情的材料。”

该团队已经表明氧化镍薄膜可以与许多不同种类的半导体材料兼容，包括硅、磷化铟、以及碲化镉。将氧化镍应用于光阳极时，其性能远超其他类似的薄膜，包括Lewis小组去年刚制得的薄膜。那种薄膜更为复杂，有两层组成，其中主要成分是自然产生的化合物二氧化钛（TiO2），通常用于制造防晒霜、牙膏及白色涂料。

“观察到光阳极以创纪录的性能且无任何明显降解地运行24小时、100小时、甚至500小时后，我知道我们已经做到了科学家们一直未能完成的事情了。”该项研究成果的第一作者、Lewis实验室博士后Ke Sun表示。

Lewis团队开发了一项制备氧化镍薄膜的技术，在富氧环境下，氩原子快速嵌入镍原子球中。“由球中溅射出的镍碎片与氧原子反应生成镍的氧化物，沉积在半导体上。”Lewis说到。

最重要的是，这种与隔膜结合的氧化镍薄膜运行良好。隔膜的作用时分离光阳极和光阴极，以及氢气和氧气。

“没有隔膜的话，光阳极和光阴极将彼此接近直至足够产生电流。如果高活性的氢气和氧气也在同一时间同一地点产生的话，那将是一场灾难。”Lewis告诉我们，“利用我们的薄膜，可以建立一个安全的不会爆炸的持续有效的装置。”

Lewis提醒说，科学家们距离开发可将太阳光转换为燃料的商用产品仍然有很长的路要走。该系统中其他组成部分，如光阴极，还需要进一步的完善。

“我们的团队同时也在研究光阴极，”Lewis表示，“我们要做的是将这些要素组合到一起，并显示整个系统的运行。这并不容易，但是现在我们已经拥有过去半个世纪都不曾有的一个关键部件。”

新材料在线编译整理—— 翻译：菠菜