In de zoektocht naar schone energie-alternatieven voor fossiele brandstoffen, een veelbelovende oplossing is gebaseerd op foto-elektrochemische (PEC) cellen:watersplitsing, apparaten voor kunstmatige fotosynthese die zonlicht en water omzetten in zonnebrandstoffen zoals waterstof.

In slechts een decennium, onderzoekers in het veld hebben grote vooruitgang geboekt bij de ontwikkeling van PEC-systemen gemaakt van lichtabsorberende gouden nanodeeltjes - kleine bolletjes van slechts een miljardste van een meter in diameter - bevestigd aan een halfgeleiderfilm van titaniumdioxide-nanodeeltjes (TiO ₂ N.P.). Maar ondanks deze vorderingen, onderzoekers worstelen nog steeds met het maken van een apparaat dat op commerciële schaal zonnebrandstoffen kan produceren.

Nutsvoorzieningen, een team van wetenschappers onder leiding van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Department of Energy heeft belangrijk nieuw inzicht gekregen in de rol van elektronen bij het oogsten van licht in goud/TiO ₂ NP PEC-systemen. De wetenschappers zeggen dat hun studie, onlangs gepubliceerd in de Journal of Physical Chemistry Letters , kan onderzoekers helpen bij het ontwikkelen van efficiëntere materiaalcombinaties voor het ontwerp van hoogwaardige zonnebrandstofapparaten.

"Door te kwantificeren hoe elektronen hun werk doen op nanoschaal en in realtime, onze studie kan helpen verklaren waarom sommige watersplitsende PEC-apparaten niet zo goed werkten als gehoopt, " zei senior auteur Oliver Gessner, een senior wetenschapper in de Chemical Sciences Division van Berkeley Lab.

En door de beweging van elektronen in deze complexe systemen te volgen met chemische specificiteit en picoseconde (biljoensten van een seconde) tijdresolutie, de leden van het onderzoeksteam denken dat ze een nieuwe tool hebben ontwikkeld waarmee de efficiëntie van de omzetting van zonnebrandstoffen van toekomstige apparaten nauwkeuriger kan worden berekend.

Elektronen-gatparen:een productieve paring komt aan het licht

Onderzoekers die watersplitsende PEC-systemen bestuderen, zijn geïnteresseerd in de superieure lichtabsorptie van gouden nanodeeltjes vanwege hun "plasmonische resonantie" - het vermogen van elektronen in gouden nanodeeltjes om synchroon te bewegen met het elektrische veld van zonlicht.

"De truc is om elektronen over te brengen tussen twee verschillende soorten materialen - van de lichtabsorberende gouden nanodeeltjes tot de titaniumdioxide-halfgeleider, ’ legde Gessner uit.

Wanneer elektronen worden overgebracht van de gouden nanodeeltjes naar de titaniumdioxide-halfgeleider, ze laten "gaten" achter. De combinatie van een elektron dat in titaniumdioxide wordt geïnjecteerd en het gat dat het elektron achterlaat, wordt een elektron-gatpaar genoemd. "En we weten dat elektron-gatparen cruciale ingrediënten zijn om de chemische reactie voor de productie van zonnebrandstoffen mogelijk te maken, " hij voegde toe.

Maar als u wilt weten hoe goed een plasmonisch PEC-apparaat werkt, je moet weten hoeveel elektronen er van de gouden nanodeeltjes naar de halfgeleider zijn gegaan, hoeveel elektron-gat-paren worden gevormd, en hoe lang deze elektron-gatparen duren voordat het elektron terugkeert naar een gat in het gouden nanodeeltje. "Hoe langer de elektronen gescheiden zijn van de gaten in de gouden nanodeeltjes - dat wil zeggen, hoe langer de levensduur van de elektron-gat-paren - hoe meer tijd je hebt voor de chemische reactie voor de productie van brandstoffen, ’ legde Gessner uit.

Om deze vragen te beantwoorden, Gessner en zijn team gebruikten een techniek genaamd "picosecond time-resolved X-ray photoelectron spectroscopie (TRXPS)" bij Berkeley Lab's Advanced Light Source (ALS) om te tellen hoeveel elektronen worden overgedragen tussen de gouden nanodeeltjes en de titaniumdioxidefilm, en om te meten hoe lang de elektronen in het andere materiaal blijven. Gessner zei dat zijn team de eerste is die de röntgentechniek toepast om deze overdracht van elektronen in plasmonische systemen zoals de nanodeeltjes en de film te bestuderen. "Deze informatie is cruciaal om efficiëntere materiaalcombinaties te ontwikkelen."

Een elektronische 'count'-down met TRXPS

TRXPS gebruiken bij de ALS, het team scheen pulsen van laserlicht om elektronen te exciteren in 20 nanometer (20 miljardste van een meter) gouden nanodeeltjes (AuNP) bevestigd aan een halfgeleidende film gemaakt van nanoporeus titaniumdioxide (TiO ₂ ).

Het team gebruikte vervolgens korte röntgenpulsen om te meten hoeveel van deze elektronen "reisden" van de AuNP naar de TiO ₂ om elektron-gatparen te vormen, en dan terug "thuis" naar de gaten in de AuNP.

"Als je een foto wilt maken van iemand die heel snel beweegt, je doet het met een korte lichtflits - voor onze studie, we gebruikten korte flitsen van röntgenlicht, "Zei Gessner. "En onze camera is de foto-elektronenspectrometer die korte 'snapshots' maakt met een tijdresolutie van 70 picoseconden."

De TRXPS-meting bracht een paar verrassingen aan het licht:ze observeerden twee elektronenoverdracht van goud naar titaniumdioxide - een veel kleiner aantal dan ze op basis van eerdere studies hadden verwacht. Ze leerden ook dat slechts één op de 1, 000 fotonen (lichtdeeltjes) genereerden een elektron-gatpaar, en dat een elektron slechts een miljardste van een seconde nodig heeft om te recombineren met een gat in het gouden nanodeeltje.

Allemaal samen, deze bevindingen en methoden die in het huidige onderzoek worden beschreven, kunnen onderzoekers helpen om de optimale tijd die nodig is om de productie van zonnebrandstoffen op nanoschaal op gang te brengen, beter in te schatten.

"Hoewel röntgenfoto-elektronspectroscopie een veelgebruikte techniek is die wordt gebruikt bij universiteiten en onderzoeksinstellingen over de hele wereld, de manier waarop we het hebben uitgebreid voor tijdsopgeloste studies en het hier hebben gebruikt, is zeer uniek en kan alleen worden gedaan in de geavanceerde lichtbron van Berkeley Lab, " zei Monika Blum, een co-auteur van de studie en onderzoeker bij de ALS.

"Monika's en Oliver's unieke gebruik van TRXPS maakte het mogelijk om te identificeren hoeveel elektronen op goud worden geactiveerd om ladingsdragers te worden - en om hun beweging door het oppervlaktegebied van een nanomateriaal te lokaliseren en te volgen - met ongekende chemische specificiteit en picoseconde tijdresolutie, " zei co-auteur Francesca Toma, een stafwetenschapper bij het Joint Center for Artificial Photosynthesis (JCAP) in de Chemical Sciences Division van Berkeley Lab. "Deze bevindingen zullen van cruciaal belang zijn om een ​​beter begrip te krijgen van hoe plasmonische materialen zonnebrandstoffen kunnen bevorderen."

Het team is van plan om hun metingen naar nog snellere tijdschalen te duwen met een vrije-elektronenlaser, en om nog fijnere snapshots op nanoschaal te maken van elektronen die aan het werk zijn in een PEC-apparaat wanneer water aan de mix wordt toegevoegd.