En la búsqueda de realizar la fotosíntesis artificial para convertir la luz solar, agua, y dióxido de carbono en combustible, tal como lo hacen las plantas, los investigadores no solo deben identificar materiales para realizar de manera eficiente la división fotoelectroquímica del agua, sino también para comprender por qué un determinado material puede funcionar o no. Ahora, los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) han sido pioneros en una técnica que utiliza imágenes a nanoescala para comprender cuán local, Las propiedades a nanoescala pueden afectar el desempeño macroscópico de un material.

Su estudio, "Imágenes a nanoescala del transporte del portador de carga en los ánodos de división del agua", acaba de ser publicado en Comunicaciones de la naturaleza . Las investigadoras principales fueron Johanna Eichhorn y Francesca Toma de la División de Ciencias Químicas de Berkeley Lab.

"Esta técnica correlaciona la morfología del material con su funcionalidad, y ofrece información sobre el mecanismo de transporte de carga, o cómo se mueven las cargas dentro del material, a nanoescala, "dijo Toma, quien también es investigador en el Centro Conjunto de Fotosíntesis Artificial, un Centro de Innovación del Departamento de Energía.

La fotosíntesis artificial busca producir combustible denso en energía utilizando solo la luz solar, agua, y dióxido de carbono como insumos. La ventaja de este enfoque es que no compite con las existencias de alimentos y produciría pocas o ninguna emisión de gases de efecto invernadero. Un sistema de división de agua fotoelectroquímica requiere semiconductores especializados que utilizan la luz solar para dividir las moléculas de agua en hidrógeno y oxígeno.

El vanadato de bismuto se ha identificado como un material prometedor para un fotoanodo, que proporciona cargas para oxidar el agua en una celda fotoelectroquímica. "Este material es un ejemplo de caso en el que la eficiencia debería ser teóricamente buena, pero en las pruebas experimentales se observa una eficiencia muy baja, "Dijo Eichhorn." Las razones de eso no se comprenden completamente ".

Los investigadores utilizaron microscopía de fuerza atómica fotoconductora para mapear la corriente en cada punto de la muestra con alta resolución espacial. Esta técnica ya se ha utilizado para analizar el transporte de carga local y las propiedades optoelectrónicas de los materiales de las células solares, pero no se sabe que se haya utilizado para comprender las limitaciones de transporte del portador de carga a nanoescala en materiales fotoelectroquímicos.

Eichhorn y Toma trabajaron con científicos de Molecular Foundry, una instalación de investigación científica a nanoescala en Berkeley Lab, en estas mediciones a través del programa de usuario de Foundry. Descubrieron que había diferencias en el rendimiento relacionadas con la morfología a nanoescala del material.

"Descubrimos que la forma en que se utilizan los cargos no es homogénea en toda la muestra, sino más bien, hay heterogeneidad, ", Dijo Eichhorn." Esas diferencias en el rendimiento pueden explicar su rendimiento macroscópico, la producción general de la muestra, cuando realizamos la división del agua ".

Para comprender esta caracterización, Toma da el ejemplo de un panel solar. "Digamos que el panel tiene un 22% de eficiencia, ", dijo." Pero, ¿se puede decir a nanoescala, en cada punto del panel, que le dará un 22 por ciento de eficiencia? Esta técnica te permite decir:sí o no, específicamente para materiales fotoelectroquímicos. Si la respuesta es no, significa que hay puntos menos activos en su material. En el mejor de los casos, solo disminuye su eficiencia total, pero si hay procesos más complejos, su eficiencia puede reducirse mucho ".

La mejor comprensión de cómo funciona el vanadato de bismuto también permitirá a los investigadores sintetizar nuevos materiales que pueden impulsar la misma reacción de manera más eficiente. Este estudio se basa en investigaciones anteriores de Toma y otros, en el que pudo analizar y predecir el mecanismo que define la (foto) estabilidad química de un material fotoelectroquímico.

Toma dijo que estos resultados acercan a los científicos a lograr una fotosíntesis artificial eficiente. "Ahora sabemos cómo medir la fotocorriente local en estos materiales, que tienen una conductividad muy baja, ", dijo." El siguiente paso es poner todo esto en un electrolito líquido y hacer exactamente lo mismo. Tenemos las herramientas. Ahora sabemos cómo interpretar los resultados, y como analizarlos, que es un primer paso importante para seguir adelante ".