Forskere fanger ærlige øjebliksbilleder af elektroner, der høster lys i atomskalaen

I søgen efter rene energialternativer til fossile brændstoffer, en lovende løsning er afhængig af fotoelektrokemiske (PEC) celler-vandspaltning, kunstige fotosynteseanordninger, der gør sollys og vand til solbrændstoffer såsom brint.

På bare et årti, forskere på området har opnået store fremskridt i udviklingen af ​​PEC-systemer fremstillet af lysabsorberende guld-nanopartikler-bittesmå kugler, der kun er milliarder af en meter i diameter-fastgjort til en halvlederfilm af titandioxid-nanopartikler (TiO ₂ NP). Men på trods af disse fremskridt, forskere kæmper stadig med at lave en enhed, der kan producere solbrændstoffer i kommerciel skala.

Nu, et team af forskere ledet af Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har fået vigtig ny indsigt i elektroners rolle i høsten af ​​lys i guld/TiO ₂ NP PEC -systemer. Forskerne siger, at deres undersøgelse, for nylig offentliggjort i Journal of Physical Chemistry Letters , kan hjælpe forskere med at udvikle mere effektive materialekombinationer til design af højtydende solbrændstofudstyr.

"Ved at kvantificere, hvordan elektroner gør deres arbejde på nanoskalaen og i realtid, vores undersøgelse kan hjælpe med at forklare, hvorfor nogle vandopdelende PEC-enheder ikke fungerede så godt som håbet, "sagde seniorforfatter Oliver Gessner, en seniorforsker i Berkeley Labs afdeling for kemiske videnskaber.

Og ved at spore elektronernes bevægelse i disse komplekse systemer med kemisk specificitet og picosekund (billioner af et sekund) tidsopløsning, forskergruppens medlemmer mener, at de har udviklet et nyt værktøj, der mere præcist kan beregne effektiviteten af ​​konvertering af solbrændstoffer til fremtidige enheder.

Elektronhulspar:En produktiv parring kommer frem

Forskere, der studerer vandopdelende PEC-systemer, har været interesseret i guldnanopartikleres overlegne lysabsorbering på grund af deres "plasmoniske resonans"-elektronernes evne i guldnanopartikler til at bevæge sig i synkronisering med det elektriske solfelt.

"Tricket er at overføre elektroner mellem to forskellige typer materialer-fra de lysabsorberende guldnanopartikler til titandioxid-halvlederen, "Forklarede Gessner.

Når elektroner overføres fra guldnanopartiklerne til titandioxidhalvlederen, de efterlader "huller". Kombinationen af ​​en elektron injiceret i titandioxid og hullet, som elektronen efterlader, kaldes et elektronhullepar. "Og vi ved, at elektronhullepar er kritiske ingredienser for at muliggøre den kemiske reaktion ved produktion af solbrændstoffer, " han tilføjede.

Men hvis du vil vide, hvor godt en plasmonisk PEC -enhed fungerer, du er nødt til at lære, hvor mange elektroner der flyttede sig fra guldnanopartiklerne til halvlederen, hvor mange elektronhulspar dannes, og hvor længe disse elektronhulspar varer, før elektronen vender tilbage til et hul i guld-nanopartiklen. "Jo længere tid elektronerne er adskilt fra hullerne i guld -nanopartiklerne - det vil sige, jo længere levetid elektronhulsparene er-jo mere tid har du til den kemiske reaktion for produktion af brændstoffer, "Forklarede Gessner.

For at besvare disse spørgsmål, Gessner og hans team brugte en teknik kaldet "picosecond time-resolved X-ray photoelectron spectroscopy (TRXPS)" ved Berkeley Labs Advanced Light Source (ALS) til at tælle, hvor mange elektroner der overføres mellem guldnanopartiklerne og titandioxidfilmen, og for at måle, hvor længe elektronerne bliver i det andet materiale. Gessner sagde, at hans team er det første til at anvende røntgenteknikken til at studere denne overførsel af elektroner i plasmoniske systemer som nanopartikler og filmen. "Disse oplysninger er afgørende for at udvikle mere effektive materialekombinationer."

En elektronisk nedtælling med TRXPS

Ved hjælp af TRXPS på ALS, teamet skinnede pulser af laserlys for at excitere elektroner i 20-nanometer (20 milliarder af en meter) guldnanopartikler (AuNP) fastgjort til en halvledende film lavet af nanoporøst titandioxid (TiO ₂ ).

Holdet brugte derefter korte røntgenpulser til at måle, hvor mange af disse elektroner "rejste" fra AuNP til TiO ₂ at danne elektronhulspar, og derefter tilbage "hjem" til hullerne i AuNP.

"Når du vil tage et billede af en person, der bevæger sig meget hurtigt, du gør det med et kort lysglimt - til vores undersøgelse, vi brugte korte blink med røntgenlys, "Gessner sagde." Og vores kamera er fotoelektronspektrometeret, der tager korte 'snapshots' ved en tidsopløsning på 70 picosekunder. "

TRXPS -målingen afslørede et par overraskelser:De observerede to elektroners overførsel fra guld til titandioxid - et langt mindre antal, end de havde forventet baseret på tidligere undersøgelser. De lærte også, at kun en ud af 1, 000 fotoner (lyspartikler) genererede et elektronhullepar, og at det kun tager en milliarddel af et sekund, før en elektron rekombineres med et hul i guld -nanopartiklen.

Alt i alt, disse fund og metoder beskrevet i den nuværende undersøgelse kan hjælpe forskere med bedre at estimere den optimale tid, der er nødvendig for at udløse produktion af solbrændstoffer i nanoskalaen.

"Selvom røntgenfotoelektronspektroskopi er en almindelig teknik, der bruges på universiteter og forskningsinstitutioner rundt om i verden, måden vi udvidede det til tidsopløste undersøgelser og brugte det her er meget unikt og kan kun udføres på Berkeley Labs avancerede lyskilde, sagde Monika Blum, medforfatter af undersøgelsen og forsker ved ALS.

"Monikas og Olivers unikke brug af TRXPS gjorde det muligt at identificere, hvor mange elektroner på guld, der aktiveres for at blive ladningsbærere - og for at lokalisere og spore deres bevægelse i hele et nanomateriales overfladeareal - med en hidtil uset kemisk specificitet og opløsning på picosekundstid, "sagde medforfatter Francesca Toma, en personaleforsker ved Joint Center for Artificial Photosynthesis (JCAP) i Berkeley Labs afdeling for kemiske videnskaber. "Disse fund vil være nøglen til at få en bedre forståelse af, hvordan plasmoniske materialer kan fremme solbrændstoffer."

Holdet planlægger derefter at skubbe deres målinger til endnu hurtigere tidsskalaer med en frielektronlaser, og for at fange endnu finere nanoskala snapshots af elektroner på arbejde i en PEC -enhed, når der tilsættes vand til blandingen.