En la búsqueda de realizar la fotosíntesis artificial para convertir la luz solar, el agua y el dióxido de carbono en combustible, al igual que las plantas, los investigadores necesitan no solo identificar materiales para realizar eficientemente la división fotoelectroquímica del agua, sino también comprender por qué cierto materialpuede o no funcionar. Ahora los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley Berkeley Lab han sido pioneros en una técnica que utiliza imágenes a nanoescala para comprender cómo las propiedades locales a nanoescala pueden afectar el rendimiento macroscópico de un material.
Su estudio, "Imágenes a nanoescala del transporte de portadores de carga en ánodos de división de agua", acaba de publicarse en Comunicaciones de la naturaleza . Los investigadores 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 brinda 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 para ArtificialFotosíntesis, un Centro de Innovación del Departamento de Energía.
La fotosíntesis artificial busca producir combustible denso en energía utilizando solo luz solar, agua y dióxido de carbono como insumos. La ventaja de este enfoque es que no compite con las reservas de alimentos y no produciría o produciría bajas emisiones de gases de efecto invernadero. Un fotoelectroquímicoEl sistema de división de agua requiere semiconductores especializados que utilizan la luz solar para dividir las moléculas de agua en hidrógeno y oxígeno.
El vanadato de bismuto ha sido 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 realmente se observa muy maleficiencia ", dijo Eichhorn." Las razones para eso no se entienden 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 células solares, pero no se sabe que se haya utilizadopara 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 las cargas no es homogénea en toda la muestra, sino que hay heterogeneidad", dijo Eichhorn. "Esas diferencias en el rendimiento pueden explicar su rendimiento macroscópico, el rendimiento 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 una eficiencia del 22 por ciento", dijo. "Pero, ¿puede decir a escala nanométrica, en cada punto del panel, que dará¿Tiene un 22 por ciento de eficiencia? Esta técnica le permite decir sí o no, específicamente para materiales fotoelectroquímicos. Si la respuesta es no, significa que hay menos puntos activos en su material. En el mejor de los casos, solo disminuye su eficiencia total, peroSi hay procesos más complejos, su eficiencia se puede reducir mucho ".
La mejor comprensión de cómo está funcionando el vanadato de bismuto también permitirá a los investigadores sintetizar nuevos materiales que puedan impulsar la misma reacción de manera más eficiente. Este estudio se basa en investigaciones anteriores de Toma y otros, en las que pudo analizary predecir el mecanismo que define foto la estabilidad química de un material fotoelectroquímico.
Toma dijo que estos resultados ponen a los científicos mucho más cerca de 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 enun electrolito líquido y hacemos exactamente lo mismo. Tenemos las herramientas. Ahora sabemos cómo interpretar los resultados y cómo analizarlos, que es un primer paso importante para avanzar ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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