Nella ricerca di alternative energetiche pulite ai combustibili fossili, una soluzione promettente si basa su celle fotoelettrochimiche (PEC):scissione dell'acqua, dispositivi di fotosintesi artificiale che trasformano la luce solare e l'acqua in combustibili solari come l'idrogeno.

In appena un decennio, i ricercatori del settore hanno compiuto grandi progressi nello sviluppo di sistemi PEC costituiti da nanoparticelle d'oro che assorbono la luce, minuscole sfere di appena miliardesimi di metro di diametro, attaccate a un film semiconduttore di nanoparticelle di biossido di titanio (TiO ₂ NP). Ma nonostante questi progressi, i ricercatori stanno ancora lottando per realizzare un dispositivo in grado di produrre combustibili solari su scala commerciale.

Ora, un team di scienziati guidato dal Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'energia ha acquisito nuove importanti informazioni sul ruolo degli elettroni nella raccolta della luce nell'oro/TiO ₂ Sistemi NP PEC. Gli scienziati dicono che il loro studio, recentemente pubblicato in Journal of Physical Chemistry Letters , può aiutare i ricercatori a sviluppare combinazioni di materiali più efficienti per la progettazione di dispositivi a combustibili solari ad alte prestazioni.

"Quantificando come gli elettroni svolgono il loro lavoro su scala nanometrica e in tempo reale, il nostro studio può aiutare a spiegare perché alcuni dispositivi PEC per la scissione dell'acqua non hanno funzionato come sperato, ", ha affermato l'autore senior Oliver Gessner, uno scienziato senior nella divisione di scienze chimiche del Berkeley Lab.

E tracciando il movimento degli elettroni in questi sistemi complessi con specificità chimica e risoluzione temporale al picosecondo (trilionesimi di secondo), i membri del team di ricerca ritengono di aver sviluppato un nuovo strumento in grado di calcolare in modo più accurato l'efficienza di conversione dei combustibili solari dei dispositivi futuri.

Coppie elettrone-lacuna:viene alla luce una coppia produttiva

I ricercatori che studiano i sistemi PEC che scindono l'acqua sono interessati al superiore assorbimento della luce delle nanoparticelle d'oro grazie alla loro "risonanza plasmonica", la capacità degli elettroni nelle nanoparticelle d'oro di muoversi in sincronia con il campo elettrico della luce solare.

"Il trucco è trasferire elettroni tra due diversi tipi di materiali, dalle nanoparticelle d'oro che assorbono la luce al semiconduttore di biossido di titanio, "Ha spiegato Gessner.

Quando gli elettroni vengono trasferiti dalle nanoparticelle d'oro al semiconduttore di biossido di titanio, lasciano "buchi". La combinazione di un elettrone iniettato nel biossido di titanio e la lacuna lasciata dall'elettrone è chiamata coppia elettrone-lacuna. "E sappiamo che le coppie elettrone-lacuna sono ingredienti fondamentali per consentire la reazione chimica per la produzione di combustibili solari, " Ha aggiunto.

Ma se vuoi sapere come funziona un dispositivo PEC plasmonico, devi sapere quanti elettroni si sono spostati dalle nanoparticelle d'oro al semiconduttore, quante coppie elettrone-lacuna si formano, e quanto tempo durano queste coppie elettrone-lacuna prima che l'elettrone ritorni in un buco nella nanoparticella d'oro. "Più a lungo gli elettroni vengono separati dai fori nelle nanoparticelle d'oro, cioè, più lunga è la vita delle coppie elettrone-lacuna, più tempo hai a disposizione per la reazione chimica per la produzione di combustibili, "Ha spiegato Gessner.

Per rispondere a queste domande, Gessner e il suo team hanno utilizzato una tecnica chiamata "spettroscopia fotoelettronica a raggi X risolta in tempo di picosecondi (TRXPS)" presso l'Advanced Light Source (ALS) del Berkeley Lab per contare quanti elettroni si trasferiscono tra le nanoparticelle d'oro e il film di biossido di titanio, e per misurare quanto tempo gli elettroni rimangono nell'altro materiale. Gessner ha affermato che il suo team è il primo ad applicare la tecnica a raggi X per studiare questo trasferimento di elettroni nei sistemi plasmonici come le nanoparticelle e il film. "Queste informazioni sono fondamentali per sviluppare combinazioni di materiali più efficienti".

Un 'conto alla rovescia' elettronico con TRXPS

Utilizzando TRXPS presso l'ALS, il team ha irradiato impulsi di luce laser per eccitare gli elettroni in nanoparticelle d'oro (AuNP) da 20 nanometri (20 miliardesimi di metro) attaccate a un film semiconduttore fatto di biossido di titanio nanoporoso (TiO ₂ ).

Il team ha quindi utilizzato brevi impulsi a raggi X per misurare quanti di questi elettroni "hanno viaggiato" dall'AuNP al TiO ₂ per formare coppie elettrone-lacuna, e poi di nuovo "a casa" ai buchi nell'AuNP.

"Quando vuoi fotografare qualcuno che si muove molto velocemente, lo fai con un breve lampo di luce, per il nostro studio, abbiamo usato brevi lampi di luce a raggi X, " Gessner ha detto. "E la nostra fotocamera è lo spettrometro fotoelettronico che scatta brevi 'istantanee' con una risoluzione temporale di 70 picosecondi".

La misurazione TRXPS ha rivelato alcune sorprese:hanno osservato il trasferimento di due elettroni dall'oro al biossido di titanio, un numero molto più piccolo di quanto si aspettassero in base a studi precedenti. Hanno anche imparato che solo uno su 1, 000 fotoni (particelle di luce) hanno generato una coppia elettrone-lacuna, e che ci vuole solo un miliardesimo di secondo perché un elettrone si ricombina con un buco nella nanoparticella d'oro.

Del tutto, questi risultati e metodi descritti nell'attuale studio potrebbero aiutare i ricercatori a stimare meglio il tempo ottimale necessario per avviare la produzione di combustibili solari su scala nanometrica.

"Sebbene la spettroscopia fotoelettronica a raggi X sia una tecnica comune utilizzata nelle università e negli istituti di ricerca di tutto il mondo, il modo in cui l'abbiamo ampliato per studi risolti nel tempo e l'abbiamo usato qui è davvero unico e può essere fatto solo all'Advanced Light Source di Berkeley Lab, " ha detto Monika Blum, un co-autore dello studio e ricercatore presso la SLA.

"L'uso unico di TRXPS da parte di Monika e Oliver ha permesso di identificare quanti elettroni sull'oro vengono attivati ​​per diventare portatori di carica e di localizzare e tracciare il loro movimento attraverso la regione superficiale di un nanomateriale, con una specificità chimica senza precedenti e una risoluzione temporale di picosecondi, " ha detto la coautrice Francesca Toma, uno scienziato del personale presso il Centro comune per la fotosintesi artificiale (JCAP) nella divisione di scienze chimiche del Berkeley Lab. "Questi risultati saranno la chiave per ottenere una migliore comprensione di come i materiali plasmonici possono far avanzare i combustibili solari".

Il team prevede di spingere le proprie misurazioni su scale temporali ancora più veloci con un laser a elettroni liberi, e per catturare istantanee su nanoscala ancora più fini di elettroni al lavoro in un dispositivo PEC quando l'acqua viene aggiunta alla miscela.