近期《自然通讯》杂志刊登了来自德国马普学会胶体与界面研究所的最新研究成果。文章中，该所的跨学科团队展示了一种激光驱动技术，使他们能够制造纳米颗粒，如铜、钴和镍氧化物。光电极生产在这种印刷速度下生成，并为将来大规模应用奠定基础比如绿氢。

以往要想生成纳米材料，需要在反应容器中以高能量输入和许多时间来完成。利用该研究所开发的激光驱动技术，科学家们可以在表面沉积少量材料，同时利用激光的高温在瞬时对其进行化学合成。“当我在电子显微镜下发现纳米晶体时，我知道发现了一件大事。”该论文第一作者Junfang Zhang说道。这一发现，为研发人员找到了一种全新的、环境友好型的生产合成材料方法。此外，通过这种工艺技术能有效地将太阳能转化为电能。

图1：用于生成结构明确的过渡金属氧化物/氮化碳复合薄膜的激光驱动转移合成工艺原理，a）激光照射将材料从供体转移到受体表面；b）激光快速加热、熔化和转移供体材料。同时达到金属前驱体的分解温度，形成过渡金属氧化物结构；c）用丙酮短暂冲洗后，形成过渡金属氧化物/氮化碳复合膜（来源：马克斯普朗克胶体与界面研究所）

“如今，大多数绿色氢气是通过太阳能电池板产生的电能从水中产生的，并储存在电池中。通过使用光电极，我们可以直接使用太阳能。”Aleksandr Savateev博士说。

实验表明，新开发的技术是在“过渡金属氧化物”（transition metal oxides）作用下得以实现的，主要是铜、钴和镍的氧化物，这些都是很好的催化剂。这些氧化物的特殊之处在于晶体形式的多样性（纳米晶体，如纳米棒或纳米星），这会影响它们的表面能量。每种结构对催化的反应都有不同影响。因此，重要的是研发人员希望按照设计制造这些纳米结构表面，并且可以不断重复。

新开发的技术还可用于快速有效地寻找新催化剂。“一个接一个的激光点，我们可以通过简单地改变成分和条件来并排制造不同的催化剂，然后对它们进行测试”，Felix Löffler博士补充说，“但现在我们需要致力于在所有应用中制造更持久的催化剂系统。”

方法

将丰富的太阳能转化为光电化学电池中的燃料和高附加值化学品，作为一种能够减轻环境影响的技术受到了极大关注。研究人员根据激光诱导前向转移（LIFT）原理，开发了激光驱动转移合成（LTRAS）技术。与通常将合成粒子释放到液体中的传统（脉冲）激光烧蚀方法不同，LIFT是一种用于转移薄膜表面图案的通用无掩模方法。它以广泛的变化范围实现，用于将几乎任何材料的精确和微量沉积到表面。

例如，可以使用高功率脉冲激光器通过直接激光熔化和喷射转移金属。一种使用脉冲激光的显着变体，称为矩阵辅助脉冲激光蒸发直写（MAPLE DW），能够转移热敏和机械敏感材料，例如（纳米）颗粒（例如陶瓷、合金、聚合物）。LTRAS基于光热效应，聚焦激光照射在所需位置产生一个受限的温度场。前体盐被转移到熔化的聚合物内部，并在几毫秒内转化为金属氧化物纳米颗粒。

类似于打字机的原理，材料从供体转移到受体载体。前者是“墨水”，一种与金属盐混合的固体聚合物，后者由导电电极上的氮化碳薄膜组成。之后，研究人员用激光照射按照既定设计的路线，将金属盐与熔融聚合物一起转移到受体。短暂的高温会导致金属盐在几毫秒内发生反应，并转化为具有所需形态的金属氧化物纳米颗粒。

研究人员展示了连续波激光工艺不仅可以转移，而且还可以驱动化学反应，在不同基板（如玻璃、掺氟氧化锡、碳、氮化碳）。在激光系统中，复合薄膜的构型可以根据基板上的宏观位置（通过激光照射模式）、微观颗粒形状和尺寸（例如通过激光能量）以及类型材料（通过不同的前体材料或几种前体的顺序沉积）。
研究人员使用LTRAS方法生成氧化铜/氮化碳）复合薄膜作为光阳极。在氮化碳衬底上获得了尺寸和形状可控的薄层氧化铜纳米结构。到目前为止，LTRAS提供了一种在氮化碳薄膜上生长出不同过渡金属氧化物结构的灵活方法。