p Usando um microscópio de força atômica equipado com uma ponta de eletrodo 1, 000 vezes menor que um cabelo humano, Pesquisadores da Universidade de Oregon identificaram em tempo real como os catalisadores em nanoescala coletam cargas que são excitadas pela luz em semicondutores. p Conforme relatado no jornal Materiais da Natureza , eles descobriram que como o tamanho das partículas catalíticas encolhe abaixo de 100 nanômetros, a coleção de cargas positivas excitadas (buracos) torna-se muito mais eficiente do que a coleção de cargas negativas excitadas (elétrons). Este fenômeno impede que as cargas positivas e negativas excitadas se recombinem e, assim, aumenta a eficiência do sistema.

p As descobertas abrem a porta para melhorar os sistemas que usam luz para fazer produtos químicos e combustíveis, por exemplo, dividindo a água para fazer gás hidrogênio ou combinando dióxido de carbono e água para fazer combustíveis ou produtos químicos à base de carbono, disse Shannon W. Boettcher, professor do Departamento de Química e Bioquímica da UO e membro do Instituto de Ciência de Materiais da universidade.

p "Encontramos um princípio de design que aponta para tornar as partículas catalíticas realmente pequenas por causa da física na interface, o que permite aumentar a eficiência, "Boettcher disse." Nossa técnica nos permitiu observar o fluxo de cargas excitadas com resolução em escala nanométrica, o que é relevante para dispositivos que usam componentes catalíticos e semicondutores para produzir hidrogênio que podemos armazenar para uso quando o sol não está brilhando. "

p Na pesquisa, A equipe de Boettcher usou um sistema modelo que consiste em um wafer de silício de cristal único bem definido revestido com nanopartículas de níquel metálico de diferentes tamanhos. O silício absorve a luz do sol e cria cargas positivas e negativas excitadas. As nanopartículas de níquel, então, coletam seletivamente as cargas positivas e aceleram a reação dessas cargas positivas com os elétrons nas moléculas de água, separando-os.

p Anteriormente, Boettcher disse, os pesquisadores só puderam medir a corrente média movendo-se por essa superfície e a voltagem média gerada pela luz que atinge o semicondutor. Para olhar mais de perto, sua equipe colaborou com a Bruker Nano Surfaces, o fabricante do microscópio de força atômica do UO que imagina a topografia das superfícies batendo com uma ponta afiada sobre ela - como um cego batendo com a bengala - para desenvolver as técnicas necessárias para medir a voltagem em nanoescala.

p Quando a ponta do eletrodo tocou cada uma das nanopartículas de níquel, os pesquisadores foram capazes de registrar o acúmulo de buracos medindo uma voltagem - semelhante a como se testa a saída de voltagem de uma bateria.

p Surpreendentemente, a voltagem medida enquanto o dispositivo estava operando dependia fortemente do tamanho da nanopartícula de níquel. Partículas pequenas foram capazes de selecionar melhor para a coleção de cargas positivas excitadas sobre cargas negativas, reduzindo a taxa de recombinação de carga e gerando voltagens mais altas que melhor separam as moléculas de água.

p Uma chave, Boettcher disse, é que a oxidação na superfície das nanopartículas de níquel leva a uma barreira, muito parecido com cumes sobrepostos em um vale de montanha, isso impede que os elétrons carregados negativamente fluam para o catalisador e aniquilem os buracos carregados positivamente. Esse efeito foi denominado "pinch-off" e foi hipotetizado que ocorreria em dispositivos de estado sólido por décadas, mas nunca antes observado diretamente em sistemas fotoeletroquímicos formadores de combustível.

p "Esta nova técnica é um meio geral para investigar o estado das características em nanoescala em ambientes eletroquímicos, "disse o principal autor do estudo, Forrest Laskowski, que era um pesquisador graduado da National Science Foundation no laboratório de Boettcher. "Embora nossos resultados sejam úteis para entender o armazenamento de energia fotoeletroquímica, a técnica poderia ser mais amplamente aplicada para estudar processos eletroquímicos em sistemas operacionais ativamente, como células de combustível, baterias, ou mesmo membranas biológicas. "