光电化学(PEC)具有将太阳能等可再生能源转化为有用的绿色燃料的潜力。然而，大多数已知的PEC材料都存在不稳定问题，难以跟踪并导致其在连续运行下性能下降。

来自汉堡大学、DESY和慕尼黑大学的研究团队在BMBF项目LUCENT的框架内开发了一种新的多模式设置，可确定在实际操作条件下影响PEC材料的结构变化。研究人员已在最新一期的《AngewandteChemie国际版》杂志上发表了他们的研究结果。

现代社会面临的最紧迫的挑战之一是从化石燃料向绿色可再生替代能源的过渡。通过光电化学水分解，太阳能可用于将水直接转化为氧气和氢气两种成分。氢具有巨大的价值，因为它是许多化合物工业生产的常见组成部分。

此外，氢可以作为一种绿色燃料按需储存、运输和燃烧，产生热量和完全无害的废物——水。然而，目前还没有PEC材料成功地从实验室转移到现实世界的工作装置中。

高效光电化学技术发展缓慢的主要原因之一是其连续运行稳定性低。“光电化学过程发生的条件相当恶劣，”汉堡大学的FrancescoCaddeo博士解释道。

“太阳辐射的使用、外部电压的应用以及电解质中化学离子的存在决定了大多数光电化学活性材料随​​着时间的推移会快速降解。虽然其中许多降解现象在很大程度上仍然未知，但揭示它们构成了开发更稳定、更高效的PEC材料的重要一步。”

“从化学角度来看，光电化学水分解构成了一个相当复杂的过程。为了理解不同的现象，使用可以从不同角度‘看到’问题的补充技术至关重要，”汉堡大学物理系和“CUI：高级物质成像”卓越集群成员。

“一些技术，例如光谱学，针对可能在材料表面或电解质内形成的特定化学物质。相反，X射线散射提供了PEC材料中原子排列的整体视角。关键是利用其优势每个分析都可以重建照片降解过程，就像我们在犯罪现场一样，”Koziej说。

然而，执行分析测量所需的时间也是需要考虑的主要因素。“当我们开始研究CuBi2O4薄膜的PEC特性时，我们立即意识到正在发生快速的光降解过程，这决定了在短短几分钟的操作内就会损失约90%的材料性能，”DavideDerelli透露道。来自汉堡大学，也是这项研究的主要科学家之一。

“因此，我们转而使用DESY的X射线辐射源PETRAIII提供的高亮度X射线辐射来收集具有高时间分辨率的散射图案，这使得能够密切跟踪光降解过程的动态。”

来自慕尼黑大学的KilianFrank解释道：“当X射线与材料表面相互作用时，所有辐射都会以不同角度散射，从而形成特征图案。在低角度时，散射图案包含有关PEC薄膜外部形状的信息，而在低角度时，散射图案包含有关PEC薄膜外部形状的信息，而“在更高的角度，它会揭示其原子排列。为了同时收集这两种信息，我们使用了两个不同的探测器，它们在PEC操作期间提供了材料结构的异常全面的表示。”

Koziej教授已经开始展望下一个科学挑战。“了解运行中PEC材料的降解只是第一步。我们的目标是制定新策略来提高PEC设备的稳定性和效率。”

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