Nella ricerca per realizzare la fotosintesi artificiale per convertire la luce solare, acqua, e anidride carbonica in combustibile, proprio come fanno le piante, i ricercatori devono non solo identificare i materiali per eseguire in modo efficiente la scissione fotoelettrochimica dell'acqua, ma anche per capire perché un certo materiale può o non può funzionare. Ora gli scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) hanno aperto la strada a una tecnica che utilizza l'imaging su nanoscala per capire come le proprietà su scala nanometrica possono influenzare le prestazioni macroscopiche di un materiale.

Il loro studio, "Imaging su nanoscala del trasporto di portatori di carica negli anodi a scissione dell'acqua", è appena stato pubblicato in Comunicazioni sulla natura . I ricercatori principali erano Johanna Eichhorn e Francesca Toma della divisione di scienze chimiche del Berkeley Lab.

"Questa tecnica mette in relazione la morfologia del materiale con la sua funzionalità, e fornisce approfondimenti sul meccanismo di trasporto della carica, o come le cariche si muovono all'interno del materiale, su scala nanometrica, " disse Tommaso, che è anche ricercatore presso il Centro comune per la fotosintesi artificiale, un Polo per l'innovazione del Dipartimento dell'Energia.

La fotosintesi artificiale cerca di produrre carburante ad alta densità energetica utilizzando solo la luce solare, acqua, e anidride carbonica come input. Il vantaggio di un tale approccio è che non è in concorrenza con le scorte alimentari e produrrebbe emissioni di gas serra nulle o ridotte. Un sistema fotoelettrochimico di scissione dell'acqua richiede semiconduttori specializzati che utilizzano la luce solare per dividere le molecole d'acqua in idrogeno e ossigeno.

Il vanadato di bismuto è stato identificato come un materiale promettente per un fotoanodo, che fornisce cariche per ossidare l'acqua in una cella fotoelettrochimica. "Questo materiale è un esempio di caso in cui l'efficienza dovrebbe essere teoricamente buona, ma nei test sperimentali si osserva effettivamente un'efficienza molto scarsa, " ha detto Eichhorn. "Le ragioni di ciò non sono completamente comprese".

I ricercatori hanno utilizzato la microscopia a forza atomica fotoconduttiva per mappare la corrente in ogni punto del campione con un'elevata risoluzione spaziale. Questa tecnica è già stata utilizzata per analizzare il trasporto di carica locale e le proprietà optoelettroniche dei materiali delle celle solari, ma non è noto che sia stata utilizzata per comprendere i limiti del trasporto di carica su scala nanometrica nei materiali fotoelettrochimici.

Eichhorn e Toma hanno lavorato con scienziati della Molecular Foundry, una struttura di ricerca scientifica su nanoscala presso il Berkeley Lab, su queste misurazioni tramite il programma utente della Fonderia. Hanno scoperto che c'erano differenze nelle prestazioni relative alla morfologia su scala nanometrica del materiale.

"Abbiamo scoperto che il modo in cui vengono utilizzate le cariche non è omogeneo sull'intero campione, ma piuttosto, c'è eterogeneità, " Eichhorn ha detto. "Queste differenze nelle prestazioni possono spiegare le sue prestazioni macroscopiche - l'output complessivo del campione - quando eseguiamo la scissione dell'acqua".

Per comprendere questa caratterizzazione, Toma fa l'esempio di un pannello solare. "Diciamo che il pannello ha un'efficienza del 22%, " ha detto. "Ma si può dire su scala nanometrica, in ogni punto del pannello, che ti darà il 22 percento di efficienza? Questa tecnica ti permette di dire, sì o no, specifico per materiali fotoelettrochimici. Se la risposta è no, significa che ci sono punti meno attivi sul tuo materiale. Nel migliore dei casi riduce solo la tua efficienza totale, ma se ci sono processi più complessi, la tua efficienza può essere ridotta di molto."

La migliore comprensione di come funziona il vanadato di bismuto consentirà inoltre ai ricercatori di sintetizzare nuovi materiali che potrebbero essere in grado di guidare la stessa reazione in modo più efficiente. Questo studio si basa su ricerche precedenti di Toma e altri, in cui è stata in grado di analizzare e prevedere il meccanismo che definisce la stabilità (foto)chimica di un materiale fotoelettrochimico.

Toma ha affermato che questi risultati avvicinano molto gli scienziati al raggiungimento di una fotosintesi artificiale efficiente. "Ora sappiamo come misurare la fotocorrente locale in questi materiali, che hanno una conduttività molto bassa, " ha detto. "Il prossimo passo è mettere tutto questo in un elettrolita liquido e fare esattamente la stessa cosa. Abbiamo gli strumenti. Ora sappiamo come interpretare i risultati, e come analizzarli, che è un primo passo importante per andare avanti".