Usando un microscopio de fuerza atómica equipado con una punta de electrodo 1, 000 veces más pequeño que un cabello humano, Investigadores de la Universidad de Oregon han identificado en tiempo real cómo los catalizadores a nanoescala recolectan cargas que son excitadas por la luz en los semiconductores.

Como se informó en la revista Materiales de la naturaleza , descubrieron que a medida que el tamaño de las partículas catalíticas se reduce por debajo de los 100 nanómetros, la colección de cargas positivas excitadas (huecos) se vuelve mucho más eficiente que la colección de cargas negativas excitadas (electrones). Este fenómeno evita que las cargas excitadas positivas y negativas se recombinen y, por lo tanto, aumenta la eficiencia del sistema.

Los hallazgos abren la puerta a la mejora de los sistemas que utilizan la luz para fabricar productos químicos y combustibles. por ejemplo, dividiendo el agua para producir gas hidrógeno o combinando dióxido de carbono y agua para producir combustibles o productos químicos a base de carbono, dijo Shannon W. Boettcher, profesor del Departamento de Química y Bioquímica de la UO y miembro del Instituto de Ciencia de Materiales de la universidad.

"Encontramos un principio de diseño que apunta a hacer que las partículas catalíticas sean realmente pequeñas debido a la física en la interfaz, lo que permite aumentar la eficiencia, ", Dijo Boettcher." Nuestra técnica nos permitió observar el flujo de cargas excitadas con una resolución de escala nanométrica, lo cual es relevante para los dispositivos que usan componentes catalíticos y semiconductores para producir hidrógeno que podemos almacenar para usar cuando el sol no brilla ".

En la investigación, El equipo de Boettcher utilizó un sistema modelo que consiste en una oblea de silicio monocristalino bien definida recubierta con nanopartículas de níquel metálico de diferentes tamaños. El silicio absorbe la luz solar y crea cargas positivas y negativas excitadas. Las nanopartículas de níquel luego recolectan selectivamente las cargas positivas y aceleran la reacción de esas cargas positivas con los electrones en las moléculas de agua. separándolos.

Previamente, Boettcher dijo:los investigadores solo pudieron medir la corriente promedio que se mueve a través de dicha superficie y el voltaje promedio generado por la luz que incide en el semiconductor. Para mirar más de cerca su equipo colaboró ​​con Bruker Nano Surfaces, el fabricante del microscopio de fuerza atómica de la UO que toma imágenes de la topografía de las superficies golpeando una punta afilada sobre él, como una persona ciega golpeando con su bastón, para desarrollar las técnicas necesarias para medir el voltaje a nanoescala.

Cuando la punta del electrodo tocó cada una de las nanopartículas de níquel, los investigadores pudieron registrar la acumulación de agujeros midiendo un voltaje, similar a cómo se prueba la salida de voltaje de una batería.

Asombrosamente, el voltaje medido mientras el dispositivo estaba funcionando dependía en gran medida del tamaño de la nanopartícula de níquel. Las partículas pequeñas pudieron seleccionar mejor para la colección de cargas positivas excitadas sobre cargas negativas, reduciendo la tasa de recombinación de carga y generando voltajes más altos que separan mejor las moléculas de agua.

Una llave, Boettcher dijo:es que la oxidación en la superficie de la nanopartícula de níquel conduce a una barrera, al igual que las crestas superpuestas en un valle de montaña, que evita que los electrones cargados negativamente fluyan hacia el catalizador y aniquilen los huecos cargados positivamente. Este efecto se ha denominado "pellizco" y se planteó la hipótesis de que ocurría en dispositivos de estado sólido durante décadas, pero nunca antes se había observado directamente en sistemas fotoelectroquímicos formadores de combustible.

"Esta nueva técnica es un medio general para investigar el estado de las características a nanoescala en entornos electroquímicos, "dijo el autor principal del estudio, Forrest Laskowski, quien fue becario de investigación graduado de la National Science Foundation en el laboratorio de Boettcher. "Si bien nuestros resultados son útiles para comprender el almacenamiento de energía fotoelectroquímica, la técnica podría aplicarse de manera más amplia para estudiar los procesos electroquímicos en sistemas que operan activamente, como las celdas de combustibles, baterías o incluso membranas biológicas ".