近期《自然通訊》雜志刊登了來自德國馬普學會膠體與界面研究所的最新研究成果。文章中，該所的跨學科團隊展示了一種激光驅動技術，使他們能夠制造納米顆粒，如銅、鈷和鎳氧化物。光電極生產(chǎn)在這種印刷速度下生成，并為將來大規(guī)模應用奠定基礎比如綠氫。
以往要想生成納米材料，需要在反應容器中以高能量輸入和許多時間來完成。利用該研究所開發(fā)的激光驅動技術，科學家們可以在表面沉積少量材料，同時利用激光的高溫在瞬時對其進行化學合成。“當我在電子顯微鏡下發(fā)現(xiàn)納米晶體時，我知道發(fā)現(xiàn)了一件大事。”該論文第一作者Junfang Zhang說道。這一發(fā)現(xiàn)，為研發(fā)人員找到了一種全新的、環(huán)境友好型的生產(chǎn)合成材料方法。此外，通過這種工藝技術能有效地將太陽能轉化為電能。
圖1：用于生成結構明確的過渡金屬氧化物/氮化碳復合薄膜的激光驅動轉移合成工藝原理，a）激光照射將材料從供體轉移到受體表面；b）激光快速加熱、熔化和轉移供體材料。同時達到金屬前驅體的分解溫度，形成過渡金屬氧化物結構；c）用丙酮短暫沖洗后，形成過渡金屬氧化物/氮化碳復合膜（來源：馬克斯普朗克膠體與界面研究所）
“如今，大多數(shù)綠色氫氣是通過太陽能電池板產(chǎn)生的電能從水中產(chǎn)生的，并儲存在電池中。通過使用光電極，我們可以直接使用太陽能。”Aleksandr Savateev博士說。
實驗表明，新開發(fā)的技術是在“過渡金屬氧化物”（transition metal oxides）作用下得以實現(xiàn)的，主要是銅、鈷和鎳的氧化物，這些都是很好的催化劑。這些氧化物的特殊之處在于晶體形式的多樣性（納米晶體，如納米棒或納米星），這會影響它們的表面能量。每種結構對催化的反應都有不同影響。因此，重要的是研發(fā)人員希望按照設計制造這些納米結構表面，并且可以不斷重復。
新開發(fā)的技術還可用于快速有效地尋找新催化劑。“一個接一個的激光點，我們可以通過簡單地改變成分和條件來并排制造不同的催化劑，然后對它們進行測試”，F(xiàn)elix L?ffler博士補充說，“但現(xiàn)在我們需要致力于在所有應用中制造更持久的催化劑系統(tǒng)。”
方法
將豐富的太陽能轉化為光電化學電池中的燃料和高附加值化學品，作為一種能夠減輕環(huán)境影響的技術受到了極大關注。研究人員根據(jù)激光誘導前向轉移（LIFT）原理，開發(fā)了激光驅動轉移合成（LTRAS）技術。與通常將合成粒子釋放到液體中的傳統(tǒng)（脈沖）激光燒蝕方法不同，LIFT是一種用于轉移薄膜表面圖案的通用無掩模方法。它以廣泛的變化范圍實現(xiàn)，用于將幾乎任何材料的精確和微量沉積到表面。
例如，可以使用高功率脈沖激光器通過直接激光熔化和噴射轉移金屬。一種使用脈沖激光的顯著變體，稱為矩陣輔助脈沖激光蒸發(fā)直寫（MAPLE DW），能夠轉移熱敏和機械敏感材料，例如（納米）顆粒（例如陶瓷、合金、聚合物）。LTRAS基于光熱效應，聚焦激光照射在所需位置產(chǎn)生一個受限的溫度場。前體鹽被轉移到熔化的聚合物內(nèi)部，并在幾毫秒內(nèi)轉化為金屬氧化物納米顆粒。
類似于打字機的原理，材料從供體轉移到受體載體。前者是“墨水”，一種與金屬鹽混合的固體聚合物，后者由導電電極上的氮化碳薄膜組成。之后，研究人員用激光照射按照既定設計的路線，將金屬鹽與熔融聚合物一起轉移到受體。短暫的高溫會導致金屬鹽在幾毫秒內(nèi)發(fā)生反應，并轉化為具有所需形態(tài)的金屬氧化物納米顆粒。
研究人員展示了連續(xù)波激光工藝不僅可以轉移，而且還可以驅動化學反應，在不同基板（如玻璃、摻氟氧化錫、碳、氮化碳）。在激光系統(tǒng)中，復合薄膜的構型可以根據(jù)基板上的宏觀位置（通過激光照射模式）、微觀顆粒形狀和尺寸（例如通過激光能量）以及類型材料（通過不同的前體材料或幾種前體的順序沉積）。
研究人員使用LTRAS方法生成氧化銅/氮化碳）復合薄膜作為光陽極。在氮化碳襯底上獲得了尺寸和形狀可控的薄層氧化銅納米結構。到目前為止，LTRAS提供了一種在氮化碳薄膜上生長出不同過渡金屬氧化物結構的靈活方法。
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