Elektrode-monteret mikroskop peger på bedre designet enheder, der producerer brændstof fra sollys

Ved hjælp af et atomkraftmikroskop udstyret med en elektrodespids 1, 000 gange mindre end et menneskehår, Forskere fra University of Oregon har i realtid identificeret, hvordan nanoskala -katalysatorer indsamler ladninger, der ophidses af lys i halvledere.

Som rapporteret i journalen Naturmaterialer , de opdagede, at når størrelsen af ​​de katalytiske partikler krymper under 100 nanometer, bliver samlingen af ​​exciterede positive ladninger (huller) meget mere effektiv end samlingen af ​​exciterede negative ladninger (elektroner). Dette fænomen forhindrer de ophidsede positive og negative ladninger i at rekombineres og øger dermed systemets effektivitet.

Resultaterne åbner døren for at forbedre systemer, der bruger lys til fremstilling af kemikalier og brændstoffer, for eksempel ved at spalte vand for at lave brintgas eller ved at kombinere kuldioxid og vand til kulstofbaserede brændstoffer eller kemikalier, sagde Shannon W. Boettcher, professor i UOs afdeling for kemi og biokemi og medlem af universitetets Materials Science Institute.

"Vi fandt et designprincip, der peger på at gøre katalytiske partikler virkelig små på grund af fysikken ved grænsefladen, hvilket gør det muligt at øge effektiviteten, " sagde Boettcher. "Vores teknik gjorde det muligt for os at se strømmen af ​​exciterede ladninger med opløsning i nanometerskala, hvilket er relevant for enheder, der bruger katalytiske og halvlederkomponenter til at lave brint, som vi kan opbevare til brug, når solen ikke skinner."

I forskningen, Boettchers team brugte et modelsystem bestående af en veldefineret single-krystal silicium wafer belagt med metalliske nikkel nanopartikler af forskellige størrelser. Silicium absorberer sollys og skaber ophidsede positive og negative ladninger. Nikkel -nanopartiklerne indsamler derefter selektivt de positive ladninger og fremskynder reaktionen af ​​de positive ladninger med elektroner i vandmolekyler, trækker dem fra hinanden.

Tidligere har Boettcher sagde, forskere kunne kun måle den gennemsnitlige strøm, der bevæger sig hen over en sådan overflade, og den gennemsnitlige spænding, der genereres af lyset, der rammer halvlederen. For at se nærmere, hans team samarbejdede med Bruker Nano Surfaces, producenten af ​​UO's atomkraftmikroskop, der afbilder topografien af ​​overflader ved at banke en skarp spids hen over den - meget ligesom en blind person, der banker på deres stok - for at udvikle de nødvendige teknikker til at måle spænding på nanoskala.

Da elektrodespidsen rørte ved hver af nikkel -nanopartiklerne, forskerne var i stand til at registrere opbygning af huller ved at måle en spænding - svarende til hvordan man tester spændingsudgangen fra et batteri.

Overraskende, spændingen målt, mens enheden var i drift, afhang stærkt af størrelsen af ​​nikkelnanopartiklerne. Små partikler kunne bedre vælge til opsamling af ophidsede positive ladninger frem for negative ladninger, reducere hastigheden af ​​rekombination af ladning og generere højere spændinger, der bedre deler vandmolekyler fra hinanden.

En nøgle, Boettcher sagde, er, at oxidation ved nikkel -nanopartikeloverfladen fører til en barriere, meget gerne overlappende kamme i en bjergdal, der forhindrer de negativt ladede elektroner i at strømme til katalysatoren og tilintetgøre de positivt ladede huller. Denne effekt er blevet betegnet som "pinch-off" og blev antaget at forekomme i solid-state enheder i årtier, men aldrig før observeret direkte i brændstofdannende fotoelektrokemiske systemer.

"Denne nye teknik er et generelt middel til at undersøge tilstanden af ​​funktioner i nanoskala i elektrokemiske miljøer, "sagde undersøgelsens hovedforfatter Forrest Laskowski, som var en forsker i National Science Foundation i Boettchers laboratorium. "Selvom vores resultater er nyttige til at forstå fotoelektrokemisk energilagring, Teknikken kunne mere bredt anvendes til at studere elektrokemiske processer i aktivt fungerende systemer såsom brændselsceller, batterier, eller endda biologiske membraner."