人工光合作用系統，顧名思義即人為高效地將陽光、水和二氧化碳轉化為燃料的系統或裝置。由于人工光合作用系統的工作條件較為苛刻，故致力于開發該系統的科學家們遇到的最大挑戰之一就是：怎樣尋找到一種即使暴露在嚴苛條件下也能使部件長期正常使用的材料。然而現有用于材料穩定性測定的方法均具有較大的偶然性。可喜的是，Berkeley實驗室領導的一個研究團隊于近期開發出了一組理論與實踐雙管齊下，能準確測定嚴苛環境下材料抗腐蝕能力的技術。這將大大促進人工光合作用系統材料的篩選和開發。Berkeley實驗室人工光合作用聯合中心（JCAP）的研究人員已將該項研究工作發表在近期的Nature Communications雜志上了。

    “當前，沒有一種現存的方法能夠預測使用中材料的穩定性”，該項研究的第一作者，同時也是Berkeley實驗室化學科學部門的研究員Francesca Toma表示，“由此我們需要發展一組能準確評估材料在真實條件下使用性能的技術，更有甚者能預測該材料是否能持續使用10年，若能開發出一種方法去明確材料降解的機理并預測其若干年后的穩定性將是一個重大的進步。”

    人工光合作用同自然光合作用一樣，也能達到一個可控、穩定的過程。對于兩者來說，一個最為關鍵的步驟就是將水解離為氫和氧。對于自然光合作用體系而言，由于活細胞具有自我修復的能力，因此無需確保執行這一功能的組分具有高穩定性。

    而投入使用的太陽能燃料發電機（即人工光合作用系統的裝置）不具備類似植物的自我修復功能，且其工作的環境具有高腐蝕性，會加劇敏感元件的損耗，故需要不必經常更換的高穩定性材料。可惜的是，目前絕大部分材料對嚴苛環境都不耐受，其性能會隨著時間的推移而降低。

    在太陽能燃料發電機的研究中，研究者們將研究重點聚焦于釩酸鉍（bismuth vanadate）— —一種薄膜狀的半導體上。此材料在正電極材料或光電池的陽極開發上具有十分重要的潛在應用，光電陽極能吸收陽光去解離水。研究人員通過傳統的方法去預測釩酸鉍特性時，發現它能夠抵抗化學腐蝕，然而實際使用時卻不然。

    上圖為原始釩酸鉍（左）和受損釩酸鉍（右）橫斷面的透射電鏡圖像，釩酸鉍為染成黃色的部分，左側黃色部分為完整的，右側為浸泡過堿槽的釩酸鉍，其黃色部分呈碎片狀。

    科學家們通過精心設計的實驗方法分析了使用前后的釩酸鉍。發現該材料薄膜表面在光照下會累積光生電荷，導致該金屬氧化物半導體在結構上的不穩定性，從而不耐化學腐蝕。該不穩定性主要是由于其動力學的局限所致，這和釩酸鉍無法在工作條件下重組表面相的分子使其達到一個穩定的結構息息相關。

    “對于復雜的金屬氧化物而言，要發生重要的結構性重組需要在表面產生一層具有熱力學性穩定的薄層，但是這個薄層的形成非常慢”，Toma解釋道。

    “到目前為止，釩酸鉍仍是可用于構建光電陽極的最好的材料之一”，Berkeley實驗室化學科學部門的另一位研究員Ian Sharp表示，“當然，我們需要持續探索，來發現能更高效地吸收陽光并驅動儲能反應的新半導體材料。”

    研究人員還補充道，為了更加了解這些可用于太陽能燃料發電機的材料，接下來需要研究在不同長度和時間維度的工作條件下，材料局部的化學成分和性能之間的關系。“明確降解過程的機理對于設計更抗腐蝕的材料而言非常重要，” Berkeley實驗室材料科學與工程及能源技術領域的研究員Kristin Persson表示，“我希望我們的研究成果對后續開發和篩選具有更高穩定性的新材料有所啟發。”