Usando un microscopio de fuerza atómica equipado con una punta de electrodo 1,000 veces más pequeña que un cabello humano, los investigadores de la Universidad de Oregon han identificado en tiempo real cómo los catalizadores a nanoescala recolectan cargas que son excitadas por la luz en los semiconductores.
como se informa en la revista Materiales naturales , descubrieron que a medida que el tamaño de las partículas catalíticas se reduce por debajo de 100 nanómetros, la colección de cargas positivas excitadas huecos se vuelve mucho más eficiente que la colección de cargas negativas excitadas electrones. Este fenómeno evita las cargas excitadas positivas y negativas.de recombinación y, por lo tanto, aumenta la eficiencia del sistema.
Los hallazgos abren la puerta a la mejora de los sistemas que utilizan la luz para fabricar productos químicos y combustibles, por ejemplo, al dividir el agua para producir gas hidrógeno o al combinar dióxido de carbono y agua para producir combustibles o productos químicos a base de carbono, dijo Shannon W. Boettcher,profesor del Departamento de Química y Bioquímica de la UO y miembro del Instituto de Ciencia de Materiales de la universidad.
"Encontramos un principio de diseño que apunta a hacer partículas catalíticas realmente pequeñas debido a la física en la interfaz, lo que permite aumentar la eficiencia", dijo Boettcher. "Nuestra técnica nos permitió observar el flujo de cargas excitadas con nanómetros.resolución de escala, que es relevante para dispositivos que utilizan componentes catalíticos y semiconductores para producir hidrógeno que podemos almacenar para usar cuando el sol no brilla ".
En la investigación, el equipo de Boettcher utilizó un sistema modelo que consiste en una oblea de silicio monocristalino bien definida recubierta con nanopartículas de níquel metálico de diferentes tamaños. El silicio absorbe la luz solar y crea cargas excitadas positivas y negativas. Las nanopartículas de níquel luego se recolectan selectivamentelas cargas positivas y acelerar la reacción de esas cargas positivas con los electrones en las moléculas de agua, separándolos.
Anteriormente, dijo Boettcher, los investigadores solo podían medir la corriente promedio que se mueve a través de dicha superficie y el voltaje promedio generado por la luz que golpea el semiconductor. Para mirar más de cerca, su equipo colaboró con Bruker Nano Surfaces, el fabricante de la fuerza atómica de la UO.microscopio que obtiene imágenes de la topografía de las superficies golpeando una punta afilada sobre él, como una persona ciega que golpea su bastón, para desarrollar las técnicas necesarias para medir el voltaje a nanoescala.
Cuando la punta del electrodo tocó cada una de las nanopartículas de níquel, los investigadores pudieron registrar la acumulación de agujeros midiendo un voltaje, similar a cómo se prueba la salida de voltaje de una batería.
Sorprendentemente, el voltaje medido mientras el dispositivo estaba funcionando dependía en gran medida del tamaño de la nanopartícula de níquel. Las partículas pequeñas pudieron seleccionar mejor para la recolección de cargas positivas excitadas sobre cargas negativas, reduciendo la tasa de recombinación de carga y generando voltajes más altosque mejor separe las moléculas de agua.
Una clave, dijo Boettcher, es que la oxidación en la superficie de la nanopartícula de níquel conduce a una barrera, muy parecida a las crestas superpuestas en un valle de montaña, que evita que los electrones cargados negativamente fluyan hacia el catalizador y aniquilen los agujeros cargados positivamente. Este efectose ha denominado "pellizco" y se planteó la hipótesis de que ocurría en dispositivos de estado sólido durante décadas, pero nunca antes se había observado directamente en sistemas fotoelectroquímicos que forman combustible.
"Esta nueva técnica es un medio general para investigar el estado de las características a nanoescala en entornos electroquímicos", dijo el autor principal del estudio, Forrest Laskowski, quien fue investigador graduado de la National Science Foundation en el laboratorio de Boettcher. "Si bien nuestros resultados son útiles paraAl comprender el almacenamiento de energía fotoelectroquímica, la técnica podría aplicarse de manera más amplia para estudiar los procesos electroquímicos en sistemas que operan activamente, como celdas de combustible, baterías o incluso membranas biológicas ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Universidad de Oregon . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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