Met behulp van een atoomkrachtmicroscoop uitgerust met een elektrodepunt 1, 000 keer kleiner dan een mensenhaar, Onderzoekers van de Universiteit van Oregon hebben in realtime vastgesteld hoe katalysatoren op nanoschaal ladingen verzamelen die worden opgewekt door licht in halfgeleiders.

Zoals gerapporteerd in het journaal Natuurmaterialen , ze ontdekten dat naarmate de grootte van de katalytische deeltjes kleiner wordt dan 100 nanometer, het verzamelen van aangeslagen positieve ladingen (gaten) veel efficiënter wordt dan het verzamelen van aangeslagen negatieve ladingen (elektronen). Dit fenomeen voorkomt dat de aangeslagen positieve en negatieve ladingen recombineren en verhoogt zo de efficiëntie van het systeem.

De bevindingen openen de deur naar het verbeteren van systemen die licht gebruiken om chemicaliën en brandstoffen te maken, bijvoorbeeld door water te splitsen om waterstofgas te maken of door kooldioxide en water te combineren om op koolstof gebaseerde brandstoffen of chemicaliën te maken, zei Shannon W. Boettcher, een professor in de afdeling Chemie en Biochemie van de UO en lid van het Materials Science Institute van de universiteit.

"We hebben een ontwerpprincipe gevonden dat erop wijst dat katalytische deeltjes erg klein worden gemaakt vanwege de fysica aan het grensvlak, waardoor men de efficiëntie kan verhogen, "Zei Boettcher. "Onze techniek stelde ons in staat om de stroom van opgewonden ladingen te bekijken met een resolutie op nanometerschaal, wat relevant is voor apparaten die katalytische en halfgeleidercomponenten gebruiken om waterstof te maken die we kunnen opslaan voor gebruik als de zon niet schijnt."

In het onderzoek, Het team van Boettcher gebruikte een modelsysteem dat bestaat uit een goed gedefinieerde monokristallijne siliciumwafel bedekt met metalen nikkelnanodeeltjes van verschillende groottes. Het silicium absorbeert zonlicht en creëert opgewonden positieve en negatieve ladingen. De nikkel-nanodeeltjes verzamelen vervolgens selectief de positieve ladingen en versnellen de reactie van die positieve ladingen met elektronen in watermoleculen, ze uit elkaar trekken.

Eerder, Boettcher zei, onderzoekers konden alleen de gemiddelde stroom meten die over zo'n oppervlak beweegt en de gemiddelde spanning die wordt gegenereerd door het licht dat de halfgeleider raakt. Om dichterbij te kijken, zijn team werkte samen met Bruker Nano Surfaces, de fabrikant van de atoomkrachtmicroscoop van de UO die de topografie van oppervlakken in beeld brengt door er met een scherpe punt overheen te tikken - net zoals een blinde met zijn stok tikt - om de technieken te ontwikkelen die nodig zijn om spanning op nanoschaal te meten.

Toen de elektrodepunt elk van de nikkelnanodeeltjes raakte, de onderzoekers waren in staat om de opbouw van gaten vast te leggen door een spanning te meten - vergelijkbaar met hoe men de uitgangsspanning van een batterij test.

Verrassend genoeg, de spanning die werd gemeten terwijl het apparaat in werking was, was sterk afhankelijk van de grootte van het nikkelnanodeeltje. Kleine deeltjes waren in staat om beter te selecteren voor het verzamelen van aangeslagen positieve ladingen dan negatieve ladingen, het verminderen van de snelheid van ladingsrecombinatie en het genereren van hogere spanningen die watermoleculen beter uit elkaar splitsen.

Een sleutel, Boettcher zei, is dat oxidatie aan het oppervlak van de nikkel nanodeeltjes tot een barrière leidt, net als overlappende richels in een bergdal, dat voorkomt dat de negatief geladen elektronen naar de katalysator stromen en de positief geladen gaten vernietigen. Dit effect wordt "afknijpen" genoemd en er werd verondersteld dat het decennialang zou optreden in solid-state apparaten, maar nooit eerder rechtstreeks waargenomen in brandstofvormende foto-elektrochemische systemen.

"Deze nieuwe techniek is een algemeen middel om de toestand van nanoschaalkenmerken in elektrochemische omgevingen te onderzoeken, " zei de hoofdauteur van de studie Forrest Laskowski, die een afstudeeronderzoeker van de National Science Foundation was in het laboratorium van Boettcher. "Hoewel onze resultaten nuttig zijn voor het begrijpen van foto-elektrochemische energieopslag, de techniek zou breder kunnen worden toegepast om elektrochemische processen te bestuderen in actief werkende systemen zoals brandstofcellen, batterijen, of zelfs biologische membranen."