Gli impulsi laser visibili eccitano gli elettroni nelle molecole attaccate a un substrato di nanoparticelle. Brevi impulsi di raggi X seguono gli elettroni lungo il loro viaggio di andata e ritorno tra le molecole e le nanoparticelle per mostrare quando, dove e perché gli elettroni si muovono o si bloccano. Credito:Oliver Gessner e Johannes Mahl, Divisione di scienze chimiche, Lawrence Berkeley National Laboratory
Nuovi materiali consentiranno a nuove tecnologie di trasformare la luce solare in elettricità e combustibili. Combinazioni di molecole e minuscole nanoparticelle rendono questi materiali una realtà. Le molecole in questi materiali sono molto brave ad assorbire la luce solare e donare elettroni alle nanoparticelle. Le nanoparticelle quindi spostano gli elettroni e catalizzano le reazioni che producono il carburante. Tuttavia, questo processo non funziona sempre come sperano i ricercatori. Ora gli scienziati hanno trovato un modo per tracciare gli elettroni lungo il loro viaggio di andata e ritorno dalle molecole alle nanoparticelle e ritorno. I ricercatori possono misurare dove gli elettroni possono viaggiare facilmente e se, dove, quando e perché si bloccano. Queste informazioni sono fondamentali per trovare migliori combinazioni per materiali innovativi.
Lo studio, pubblicato su The Journal of Physical Chemistry Letters , dimostra un nuovo strumento sperimentale in grado di seguire gli elettroni che viaggiano tra le molecole e le nanoparticelle che convertono la luce solare in elettricità o combustibili. Si scopre che un materiale nanoparticellare molto comune, l'ossido di zinco, prima blocca gli elettroni per un po'. Il materiale lascia quindi che gli elettroni si muovano solo lungo la superficie stessa delle nanoparticelle. Ciò rende probabile che le cariche possano perdersi o danneggiare il materiale delle nanoparticelle. Idealmente, le cariche dovrebbero viaggiare senza sosta e direttamente attraverso le nanoparticelle. La capacità di rivelare questi colli di bottiglia per il viaggio degli elettroni aiuterà i ricercatori a progettare materiali migliori per trasformare la luce solare in altre forme di energia.
Per trasformare la luce solare in elettricità o combustibile, un materiale deve assorbire la luce e dirigere l'energia luminosa verso gli elettroni. Successivamente, gli elettroni devono muoversi per formare una corrente o consentire reazioni chimiche. Un modo per ottenere entrambi i passaggi è utilizzare molecole che sono molto brave a catturare la luce solare e attaccarle a substrati che sono molto bravi a spostare gli elettroni. I ricercatori in precedenza sapevano che gli elettroni potevano muoversi all'interno del materiale ossido di zinco molto più facilmente che in molti altri materiali. Nonostante ciò, gli elettrodi in ossido di zinco non funzionerebbero bene come gli elettrodi in altri materiali. Cosa sta succedendo?
Utilizzando una tecnica chiamata spettroscopia fotoelettronica a raggi X risolta nel tempo presso l'Advanced Light Source, una struttura utente dell'Office of Science del Dipartimento dell'Energia (DOE), i ricercatori sono ora in grado di seguire il percorso degli elettroni dalle molecole ai substrati e viceversa . Hanno scoperto che gli elettroni sono bloccati a lungo tra le molecole e l'ossido di zinco. Quando gli elettroni finalmente fanno il salto, il materiale continua a spingerli verso la superficie del substrato. Lì, gli elettroni vengono intrappolati più facilmente che se fossero in grado di viaggiare direttamente attraverso la massa del substrato. Questo studio aiuta a spiegare perché i substrati di ossido di zinco non funzionano come sperato. Fornisce inoltre un nuovo schema di test per i materiali futuri. + Esplora ulteriormente
