Nye tilgange til udvikling af fotokatalysatorer og materialer til konvertering af solenergi

Et NIMS-forskerhold har med succes identificeret atomer og almindelige defekter, der eksisterer på den mest stabile overflade af anataseformen af ​​titaniumdioxid ved at karakterisere dette materiale på atomær skala med scanning probemikroskopi. Dette arbejde blev offentliggjort under åben adgangspolitik i onlineversionen af Naturkommunikation den 29. juni, 2015.

Forskerholdet bestående af Oscar Custance og Tomoko Shimizu, gruppeleder og seniorforsker, henholdsvis, hos Atomic Force Probe Group, NIMS, Daisuke Fujita og Keisuke Sagisaka, gruppeleder og seniorforsker, henholdsvis, hos Surface Characterization Group, NIMS, og forskere ved Charles University i Tjekkiet, Madrids autonome universitet i Spanien, og andre organisationer kombinerede samtidige atomkraftmikroskopi (AFM) og scanning tunneling mikroskopi (STM) målinger med førsteprincipberegninger til den entydige identifikation af atomarterne på den mest stabile overflade af anataseformen af ​​titandioxid (i det følgende benævnt anatase ) og dets mest almindelige defekter.

I de seneste år, anatase har tiltrukket sig betydelig opmærksomhed, fordi det er blevet et centralt materiale i enheder til fotokatalyse og til omdannelse af solenergi til elektricitet. Det er ekstremt udfordrende at dyrke store enkeltkrystaller af anatase, og de fleste anvendelser af dette materiale er i form af nanokrystaller. For at forbedre den katalytiske reaktivitet af anatase og effektiviteten af ​​enheder til solenergikonvertering baseret på anatase, det er afgørende at opnå en dybtgående forståelse og kontrol over de reaktioner, der finder sted på overfladen af ​​dette materiale ned til atomniveau. Kun få forskergrupper verden over besidder teknologien til at skabe ordentlige testprøver og til at foretage observationer på atomniveau på anatase-overflader på stedet.

I dette studie, forskerholdet brugte prøver opnået fra anatase naturlige enkeltkrystaller udvundet fra naturligt forekommende anatase bjergarter. Teamet karakteriserede overfladen af ​​anatase på atomært niveau ved hjælp af samtidig AFM og STM. Brug af enkeltvandsmolekyler som atommarkører, holdet identificerede med succes atomarten på denne overflade; resultat, der yderligere blev bekræftet af sammenligningen af ​​samtidige AFM- og STM-målinger med resultaterne af første-princippets beregninger.

I almindelig STM, hvor en atomisk skarp sonde scannes over overfladen ved at holde en elektrisk strøm konstant mellem dem, det er vanskeligt stabilt at afbilde anataseoverflader, da dette materiale udviser dårlig elektrisk ledningsevne over nogle af overfladens atomare positioner. Imidlertid, samtidig drift af AFM og STM muliggjorde billeddannelse af overfladen med atomopløsning selv inden for materialernes båndgab (et område, hvor strømmen af ​​strøm mellem sonden og overfladen er, i princippet, forbudt). Her, påvisningen af ​​interatomare kræfter mellem det sidste atom i den atomisk skarpe sonde og atomerne på overfladen af ​​AFM var af afgørende betydning. Ved at regulere sonde-overfladeafstanden ved hjælp af AFM, det var muligt at afbilde overfladen på atomskala, mens der blev indsamlet STM-data over både ledende og ikke-ledende områder af overfladen. Ved at sammenligne samtidige AFM- og STM-målinger med teoretiske simuleringer, teamet var ikke kun i stand til at skelne mellem hvilke atomarter, der bidrog til AFM- og STM -billederne, men også til at identificere de mest almindelige defekter, der findes på overfladen.

I fremtiden, baseret på oplysningerne fra denne undersøgelse, NIMS forskningsteam vil udføre forskning i molekyler af teknologisk relevans, der adsorberer på anatase og karakteriserer disse hybridsystemer ved at bruge samtidig AFM og STM. Deres ultimative mål er at formulere nye tilgange til udvikling af fotokatalysatorer og solcellematerialer og -enheder.

Denne undersøgelse blev offentliggjort under åben adgangspolitik i onlineversionen af Naturkommunikation den 29. juni, 2015.