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Nature Materials：半导体-催化剂光电化学界面的纳米尺度观察
布鲁克文章推荐 第27期
Bruker Journal Club
布鲁克纳米表面仪器部 王书瑞
光电化学器件上使用的半导体结构经常会通过修饰一些纳米颗粒用于催化某些能量质的生成反应（Fuel-forming reaction），如水氧化，氢还原，或者二氧化碳降解（carbon-dioxide reduction）等。为了实现更高的反应效率，这些纳米颗粒必须和吸光的基底半导体材料形成电荷-载流子选择性接触，促使空穴（或电子）转移同时抑制电子（或空穴）的聚集。然而对于纳米颗粒与半导体材料的接触界面的了解仍然十分贫乏。其中一个重要原因是缺乏对于纳米尺度接触界面性质的直接观察手段仍然缺乏，更不用提在工作状态下的观察。本文作者基于布鲁克的原子力显微镜，搭建了一套电势传感电化学原子力显微镜系统（potential-sensing electrochemical AFM，PS-EC-AFM），原位测量处于工作状态的镍纳米颗粒与n-硅界面的光电化学性质。这个方法和结果除了在研究光电化学领域有重大作用外，还能应用到其它领域的研究，包括燃料电池的非均质反应过程、细菌或者生物膜结构的原位表面电势测量、纳米结构电操纵等。
图1（左）示意了实验体系。在液体工作环境下，用电势传感电化学原子力显微镜系统直接测量镍基纳米颗粒与n-硅基底的伏安曲线。作为原型实验，作者采用原子力显微镜内置的红色690nm波长的激光作为激发光源参与测试中的光电化学反应。确切的说是作者利用漏过原子力探针的悬臂的部分激光作为激发光源。由于系统的光电化学性质与光源强度有一定关系，采用显微镜内置的激光也反映了该激光的稳定性。
由于制备的镍纳米颗粒尺寸有一定离散性，可能对其光电化学性质有影响。因此，作者先利用轻敲模式获得扫描范围内纳米颗粒的三维形貌，然后用软件中的Point-and-shoot功能，对扫描范围内的多个纳米颗粒进行开路电压测量，从而获得颗粒尺寸与其开路电压的对应关系。结果显示，制备的镍纳米颗粒尺寸对实际测试前后的开路电压没有显著影响。
然而实际工作曲线却显示了显著的尺寸效应。当镍纳米颗粒较小时，工作状态下的原位光电压有显著增大。通过改变电沉积时间，作者认为原因在于小尺寸镍纳米颗粒与n-硅基底的接触面在工作时会由于NiOOH的生成产生“夹断效应”（Pinch-off effect）。这个效应能提高该体系的载流子选择性。因此电势传感电化学原子力显微镜系统使得研究人员能研究并利用这种尺寸效应，进一步提高光电化学体系的性能。
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标题：Nanoscale semiconductor/catalyst interfaces in photoelectrochemistry
作者：Forrest A. L. Laskowski, Sebastian Z. Oener, Michael R. Nellist, Adrian M. Gordon, David C. Bain, Jessica L. Fehrs and Shannon W. Boettcher*
出处：Nature Materials 2020, 19:69–76.
DOI： https://doi.org/10.1038/s41563-019-0488-z
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