Utilizzando un microscopio a forza atomica dotato di una punta dell'elettrodo 1, 000 volte più piccolo di un capello umano, I ricercatori dell'Università dell'Oregon hanno identificato in tempo reale come i catalizzatori su scala nanometrica raccolgono le cariche eccitate dalla luce nei semiconduttori.

Come riportato sulla rivista Materiali della natura , hanno scoperto che quando la dimensione delle particelle catalitiche si riduce al di sotto dei 100 nanometri, la raccolta di cariche positive eccitate (buchi) diventa molto più efficiente della raccolta di cariche negative eccitate (elettroni). Questo fenomeno impedisce la ricombinazione delle cariche positive e negative eccitate e quindi aumenta l'efficienza del sistema.

I risultati aprono la porta al miglioramento dei sistemi che utilizzano la luce per produrre sostanze chimiche e combustibili, ad esempio scindendo l'acqua per produrre gas idrogeno o combinando anidride carbonica e acqua per produrre combustibili o prodotti chimici a base di carbonio, disse Shannon W. Boettcher, professore presso il Dipartimento di Chimica e Biochimica dell'UO e membro dell'Istituto di Scienza dei Materiali dell'Università.

"Abbiamo trovato un principio di progettazione che punta a rendere le particelle catalitiche davvero piccole a causa della fisica all'interfaccia, che permette di aumentare l'efficienza, " ha detto Boettcher. "La nostra tecnica ci ha permesso di osservare il flusso di cariche eccitate con una risoluzione su scala nanometrica, che è rilevante per i dispositivi che utilizzano componenti catalitici e semiconduttori per produrre idrogeno che possiamo immagazzinare per l'uso quando il sole non splende."

Nella ricerca, Il team di Boettcher ha utilizzato un sistema modello costituito da un wafer di silicio monocristallino ben definito rivestito con nanoparticelle di nichel metallico di diverse dimensioni. Il silicio assorbe la luce solare e crea cariche positive e negative eccitate. Le nanoparticelle di nichel quindi raccolgono selettivamente le cariche positive e accelerano la reazione di quelle cariche positive con gli elettroni nelle molecole d'acqua, separandoli.

In precedenza, Boettcher ha detto, i ricercatori hanno potuto misurare solo la corrente media che si muove su tale superficie e la tensione media generata dalla luce che colpisce il semiconduttore. Per guardare più da vicino, il suo team ha collaborato con Bruker Nano Surfaces, il produttore del microscopio a forza atomica dell'UO che visualizza la topografia delle superfici picchiettandoci sopra con una punta acuminata, proprio come una persona cieca che tocca il bastone, per sviluppare le tecniche necessarie per misurare la tensione su scala nanometrica.

Quando la punta dell'elettrodo ha toccato ciascuna delle nanoparticelle di nichel, i ricercatori sono stati in grado di registrare l'accumulo di buchi misurando una tensione, simile a come si verifica la tensione in uscita da una batteria.

Sorprendentemente, la tensione misurata durante il funzionamento del dispositivo dipendeva fortemente dalle dimensioni della nanoparticella di nichel. Le piccole particelle sono state in grado di selezionare meglio per la raccolta di cariche positive eccitate su cariche negative, riducendo la velocità di ricombinazione della carica e generando tensioni più elevate che separano meglio le molecole d'acqua.

Una chiave, Boettcher ha detto, è che l'ossidazione sulla superficie delle nanoparticelle di nichel porta a una barriera, proprio come creste sovrapposte in una valle di montagna, che impedisce agli elettroni caricati negativamente di fluire verso il catalizzatore e annichilire i fori caricati positivamente. Questo effetto è stato definito "pinch-off" ed è stato ipotizzato che si verificasse nei dispositivi a stato solido per decenni, ma mai prima d'ora osservato direttamente nei sistemi fotoelettrochimici che formano combustibile.

"Questa nuova tecnica è un mezzo generale per studiare lo stato delle caratteristiche su scala nanometrica in ambienti elettrochimici, " ha detto l'autore principale dello studio Forrest Laskowski, che era un ricercatore laureato della National Science Foundation nel laboratorio di Boettcher. "Mentre i nostri risultati sono utili per comprendere l'immagazzinamento di energia fotoelettrochimica, la tecnica potrebbe essere applicata in modo più ampio per studiare i processi elettrochimici in sistemi attivi come le celle a combustibile, batterie, o anche membrane biologiche."