“扭曲”材料助力绿色经济：在二氧化碳转化、废水处理等行业潜力巨大

在马德拉斯印度理工学院的实验室中，一个新的科学分支正在发展。被称为“极化光电化学”，它指的是三个科学领域——半导体、电化学和光物理学的实验室组合。

化学工程系的 Aravind Chandiran 教授正在领导一项关于材料半导体——如何被“扭曲”或极化的研究，以便电子聚集在一个分子上，从而很容易地弹出一些。然后可以充分利用自由电子。您可以将它们作为电力传输或使用它们将水分解成氢气和氧气。

目前在光电化学中心（IIT-M 的卓越中心之一）正在进行的这项工作的核心是在原子水平上“调整”材料以收集电子。

自然界中的大多数材料都是对称的。对称是美丽的，但不对称是有用的。

想象一个元素 X 和 A 的分子，X 在中间，两个 As 等距在两边——完美对称。X 和 A 之间的距离是“键长”，以“埃”为单位。（一埃是一米的十亿分之一）。像这样想象化合物：A—X—A。

如果你去掉一个“A”，比如右边，并引入另一个元素“B”，这个化合物看起来像 A-XB。请注意，X 和 B 之间的距离比 X 和 A 之间的距离短。这是不对称的。

失真导致材料中原子的不对称排列，并产生偶极子（极化）。偶极子是一种分子，其中原子的电子在给定位置聚集在一起。

现在，当您将光照射在半导体材料（例如晶体硅）上时，光的能量会使电子进入“激发态”，这高于它们的正常状态，就像空气中的球一样。当这种情况发生时，很容易拉出电子并利用它们——这就是太阳能光伏的工作原理。

但是当你在扭曲的材料上照射光时，电子在激发态下保持更长的时间，让我们有更多的时间来撕掉电子。与非扭曲材料中的纳秒相比，扭曲材料中激发态的持续时间增加到微秒或毫秒。

Chandiran 选择了一种特殊结构的材料，称为双钙钛矿（也称为“空位有序钙钛矿”）用于变形。构成双钙钛矿的原子数量相当多，这使我们能够调整更多的原子组合，Chandiran 告诉Quantum。

材料畸变引起的极化效应在催化领域是一个完全未（未）探索的领域，Chandiran 项目的背景说明说，一旦这个概念在钙钛矿材料中得到验证，它就可以扩展到任何类型的材料，其中任何催化反应都会引起极化，它说。

有什么用？

这种在原子水平上调谐的材料可以用于多种用途，主要是因为电子可以更容易地从原子上分离。Chandiran 的团队已经展示了他们在分解水以生产氢气方面的用途。当你给水提供电子时，它会分裂成氢和羟基分子。与阳光-电-氢途径相反，直接阳光到氢气的途径或光电解并不新鲜，但使用扭曲材料（双钙钛矿）是 Chandiran 工作的独特之处。

扭曲的材料还有其他应用——作为金属-空气电池中的双功能催化剂（参见上面的“跨越式锂电池”）、二氧化碳转化为甲酸和甲烷等燃料、废水处理、从氮气中生产氨和对制药废物进行净化。