该图示描绘了在原子力显微镜上的特殊拟合电极尖端，其在涂有金属镍纳米粒子的单晶硅晶片的界面处发生纳米级活动。
使用原子力显微镜安装有电极尖的1,000倍，俄勒冈大学研究人员已经实时识别了纳米级催化剂如何收集半导体中光激发的电荷。
如在杂志性材料中所报道的，他们发现，随着催化颗粒的尺寸在100纳米以下收缩，激发正电荷（孔）的收集比激发负电荷（电子）的收集变得更有效。这种现象可以防止重新组合的激发正和负电荷，从而提高了系统效率。
调查结果打开了改善使用光的系统制造化学品和燃料的系统，例如通过分裂水来制造氢气或通过将二氧化碳和水组合制作基于碳的燃料或化学物质，是教授，教授Shannon W. Boettcher表示在UO的化学和生物化学系和大学材料科学研究所的成员。
“我们发现了一种设计原则，指向催化颗粒真正小的，因为界面处的物理，这使得一个可以提高效率，”Boettcher说。“我们的技术使我们能够观察纳米尺度分辨率的励磁电荷的流动，这与使用催化和半导体部件制造氢气的装置，当太阳不闪耀时，我们可以存储氢气。”
在研究中，Boettcher的团队使用了一种模型系统，该模型系统由涂有不同尺寸的金属镍纳米粒子的明确定义的单晶硅晶片组成。硅吸收阳光，造成兴奋的正极和负面电荷。然后，镍纳米颗粒选择性地收集正电荷并加速在水分子中的电子中的那些正电荷的反应，将它们分开。
此前，Boettcher表示，研究人员只能测量在这种表面上移动的平均电流和由击中半导体的光产生的平均电压。看起来更近，他的团队与Bruker纳米表面合作，UO的原子力显微镜的制造商通过点击尖锐的尖端来攻击表面的地形 - 就像盲人敲击他们的甘蔗 - 发展所需的技术纳米级电压。
当电极尖端触摸每个镍纳米颗粒时，研究人员能够通过测量电压来记录孔的积累 - 类似于如何测试从电池的电压输出的电压。
令人惊讶的是，作为装置测量的电压在镍纳米粒子的尺寸上依赖于依赖于镍纳米粒子的尺寸。小颗粒能够在负电荷上更好地选择用于收集激发的正电荷，降低电荷重组速率并产生更好分裂的水分子的更高电压。
Boettcher表示，是镍纳米颗粒表面的氧化导致屏障，很像在山谷中的重叠脊一样，这防止了带负电的电子流到催化剂并湮灭带正电的孔。这种效果已被称为“捏关闭”，并且假设在固态装置中发生数十年，但在燃料形成光电化学系统中从未直接观察到。
“这种新技术是调查电化学环境中纳米级特征状态的一般手段，”这项研究的领先作者Forrest Laskowski表示，他是Boettcher实验室的国家科学基金会研究生研究员。“虽然我们的结果对于了解光电化学能量存储器是有用的，但该技术可以更广泛地应用于在主动操作系统中研究电化学过程，例如燃料细胞，电池，甚至生物膜。”
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Laskowski现在是加州帕萨迪纳加州理工学院的博士后研究员。
与Boettcher和Laskowski的共同作者是：Sebastion Z.Oener，一名博士后研究员在德国Forschungsgemeinschaft（德国研究基金会）的奖学金下工作; Michael R. Nellist，Intel Corp.的博士生在俄勒冈州希尔斯伯勒; Adrian M. Gordon今年获得学士学位，现在是明尼苏达大学的博士生;纽约圣劳伦斯大学的大卫·贝恩（David C. Bain）参加了UO的大学生计划的夏季研究经验，现在正在伯克利加州大学追求博士学位;和Uo博士生Jessica L. Fehrs。
来自美国能源部的批准主要资助了该研究，而购买原子力显微镜是由国家科学基金会资助的。该项目中使用的仪器是基于俄勒冈州的UO的高新技术扩展服务的高级材料特征中心，由Murdock信任提供资助的俄勒冈州的高科技扩展服务，以及俄勒冈州的俄勒冈州快速材料原型设计。
参考：“光电化学中的纳米尺度半导体/催化剂界面”由Forrestian Z.Oener，Michael R. Nellist，Adrian M. Gordon，David C. Bain，Jessica L. Fehrs和Shannon W. Boettcher，2019年10月7日，自然材料.doi：
10.1038 / s41563-019-0488-z
