Ilustración de un sistema modelo PEC con nanopartículas de oro de 20 nanómetros unidas a dióxido de titanio. Crédito:Berkeley Lab
En la búsqueda de energías limpias alternativas a los combustibles fósiles, Una solución prometedora se basa en células fotoelectroquímicas (PEC):división de agua, Dispositivos de fotosíntesis artificial que convierten la luz solar y el agua en combustibles solares como el hidrógeno.
En solo una década Los investigadores en el campo han logrado un gran progreso en el desarrollo de sistemas PEC hechos de nanopartículas de oro que absorben la luz (esferas diminutas de apenas mil millonésimas de metro de diámetro) unidas a una película semiconductora de nanopartículas de dióxido de titanio (TiO 2 NOTARIO PÚBLICO). Pero a pesar de estos avances, Los investigadores todavía luchan por fabricar un dispositivo que pueda producir combustibles solares a escala comercial.
Ahora, un equipo de científicos dirigido por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab) ha obtenido una nueva perspectiva importante sobre el papel de los electrones en la recolección de luz en oro / TiO 2 Sistemas NP PEC. Los científicos dicen que su estudio, publicado recientemente en el Revista de letras de química física , puede ayudar a los investigadores a desarrollar combinaciones de materiales más eficientes para el diseño de dispositivos de combustibles solares de alto rendimiento.
"Al cuantificar cómo los electrones hacen su trabajo en la nanoescala y en tiempo real, Nuestro estudio puede ayudar a explicar por qué algunos dispositivos PEC de división de agua no funcionaron tan bien como se esperaba, "dijo el autor principal Oliver Gessner, un científico senior en la División de Ciencias Químicas de Berkeley Lab.
Y al rastrear el movimiento de los electrones en estos sistemas complejos con especificidad química y resolución de tiempo de picosegundos (billonésimas de segundo), Los miembros del equipo de investigación creen que han desarrollado una nueva herramienta que puede calcular con mayor precisión la eficiencia de conversión de combustibles solares de los dispositivos futuros.
Pares de agujeros de electrones:sale a la luz un emparejamiento productivo
Los investigadores que estudian los sistemas PEC que dividen el agua se han interesado en la absorción de luz superior de las nanopartículas de oro debido a su "resonancia plasmónica", la capacidad de los electrones en las nanopartículas de oro para moverse en sincronía con el campo eléctrico de la luz solar.
"El truco consiste en transferir electrones entre dos tipos diferentes de materiales, desde las nanopartículas de oro que absorben la luz hasta el semiconductor de dióxido de titanio, "Explicó Gessner.
Cuando los electrones se transfieren de las nanopartículas de oro al semiconductor de dióxido de titanio, dejan atrás "agujeros". La combinación de un electrón inyectado en dióxido de titanio y el agujero que dejó el electrón se llama par electrón-agujero. "Y sabemos que los pares de agujeros de electrones son ingredientes críticos para permitir la reacción química para la producción de combustibles solares, "añadió.
Pero si desea saber qué tan bien está funcionando un dispositivo PEC plasmónico, necesita saber cuántos electrones se movieron de las nanopartículas de oro al semiconductor, cuántos pares de agujeros de electrones se forman, y cuánto duran estos pares de agujeros de electrones antes de que el electrón regrese a un agujero en la nanopartícula de oro. "Cuanto más tiempo estén separados los electrones de los orificios de las nanopartículas de oro, es decir, Cuanto mayor sea la vida útil de los pares de electrones y huecos, más tiempo tendrá para que tenga lugar la reacción química para la producción de combustibles, "Explicó Gessner.
Para responder a estas preguntas, Gessner y su equipo utilizaron una técnica llamada "espectroscopia de fotoelectrones de rayos X de resolución temporal de picosegundos (TRXPS)" en la fuente de luz avanzada (ALS) de Berkeley Lab para contar cuántos electrones se transfieren entre las nanopartículas de oro y la película de dióxido de titanio. y medir cuánto tiempo permanecen los electrones en el otro material. Gessner dijo que su equipo es el primero en aplicar la técnica de rayos X para estudiar esta transferencia de electrones en sistemas plasmónicos como las nanopartículas y la película. "Esta información es crucial para desarrollar combinaciones de materiales más eficientes".
Una cuenta regresiva electrónica con TRXPS
Usando TRXPS en el ALS, El equipo emitió pulsos de luz láser para excitar electrones en nanopartículas de oro de 20 nanómetros (20 mil millonésimas de metro) (AuNP) unidas a una película semiconductora hecha de dióxido de titanio nanoporoso (TiO 2 ).
Luego, el equipo utilizó pulsos cortos de rayos X para medir cuántos de estos electrones "viajaron" desde el AuNP al TiO. 2 para formar pares de electrones-huecos, y luego de regreso "a casa" a los agujeros en el AuNP.
"Cuando quieres tomar una foto de alguien que se mueve muy rápido, lo hace con un breve destello de luz, para nuestro estudio, utilizamos breves destellos de luz de rayos X, ", Dijo Gessner." Y nuestra cámara es el espectrómetro de fotoelectrones que toma 'instantáneas' cortas con una resolución de tiempo de 70 picosegundos ".
La medición TRXPS reveló algunas sorpresas:observaron la transferencia de dos electrones del oro al dióxido de titanio, un número mucho menor de lo que esperaban según estudios anteriores. También aprendieron que solo uno de cada 1, 000 fotones (partículas de luz) generaron un par electrón-hueco, y que solo se necesita una milmillonésima de segundo para que un electrón se recombine con un agujero en la nanopartícula de oro.
En total, Estos hallazgos y métodos descritos en el estudio actual podrían ayudar a los investigadores a estimar mejor el tiempo óptimo necesario para activar la producción de combustibles solares a nanoescala.
"Aunque la espectroscopia de fotoelectrones de rayos X es una técnica común utilizada en universidades e instituciones de investigación de todo el mundo, la forma en que lo ampliamos para estudios de resolución temporal y lo usamos aquí es muy singular y solo se puede hacer en la fuente de luz avanzada de Berkeley Lab, "dijo Monika Blum, coautor del estudio e investigador científico de la ALS.
"El uso exclusivo de TRXPS de Monika y Oliver hizo posible identificar cuántos electrones en el oro se activan para convertirse en portadores de carga, y localizar y rastrear su movimiento a lo largo de la región de la superficie de un nanomaterial, con una especificidad química y una resolución de tiempo de picosegundos sin precedentes. "dijo la coautora Francesca Toma, científico del personal del Centro Conjunto para la Fotosíntesis Artificial (JCAP) en la División de Ciencias Químicas del Laboratorio de Berkeley. "Estos hallazgos serán clave para obtener una mejor comprensión de cómo los materiales plasmónicos pueden promover los combustibles solares".
A continuación, el equipo planea llevar sus mediciones a escalas de tiempo aún más rápidas con un láser de electrones libres. y para capturar instantáneas a nanoescala aún más finas de los electrones en funcionamiento en un dispositivo PEC cuando se agrega agua a la mezcla.
