p Na busca por alternativas energéticas limpas aos combustíveis fósseis, uma solução promissora depende de células fotoeletroquímicas (PEC) - divisão de água, dispositivos de fotossíntese artificial que transformam a luz solar e a água em combustíveis solares, como o hidrogênio. p Em apenas uma década, pesquisadores da área alcançaram grande progresso no desenvolvimento de sistemas PEC feitos de nanopartículas de ouro que absorvem luz - pequenas esferas com apenas bilionésimos de um metro de diâmetro - ligadas a um filme semicondutor de nanopartículas de dióxido de titânio (TiO ₂ NP). Mas, apesar desses avanços, os pesquisadores ainda lutam para fazer um dispositivo que possa produzir combustíveis solares em escala comercial.

p Agora, uma equipe de cientistas liderada pelo Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab) obteve uma nova percepção importante do papel dos elétrons na captação de luz em ouro / TiO ₂ Sistemas NP PEC. Os cientistas dizem que seu estudo, publicado recentemente no Journal of Physical Chemistry Letters , pode ajudar os pesquisadores a desenvolver combinações de materiais mais eficientes para o projeto de dispositivos de combustíveis solares de alto desempenho.

p "Ao quantificar como os elétrons fazem seu trabalho em nanoescala e em tempo real, nosso estudo pode ajudar a explicar por que alguns dispositivos PEC de divisão de água não funcionaram tão bem quanto o esperado, "disse o autor sênior Oliver Gessner, um cientista sênior na Divisão de Ciências Químicas do Berkeley Lab.

p E rastreando o movimento dos elétrons nestes sistemas complexos com especificidade química e resolução de tempo de picossegundos (trilionésimos de segundo), os membros da equipe de pesquisa acreditam ter desenvolvido uma nova ferramenta que pode calcular com mais precisão a eficiência de conversão de combustíveis solares de dispositivos futuros.

p Pares de elétron-buraco:um emparelhamento produtivo vem à tona

p Pesquisadores que estudam sistemas PEC de divisão de água têm se interessado na absorção de luz superior das nanopartículas de ouro devido à sua "ressonância plasmônica" - a capacidade dos elétrons nas nanopartículas de ouro de se moverem em sincronia com o campo elétrico da luz solar.

p "O truque é transferir elétrons entre dois tipos diferentes de materiais - desde as nanopartículas de ouro que absorvem luz até o semicondutor de dióxido de titânio, "Gessner explicou.

p Quando os elétrons são transferidos das nanopartículas de ouro para o semicondutor de dióxido de titânio, eles deixam "buracos" para trás. A combinação de um elétron injetado no dióxido de titânio e o buraco que o elétron deixou para trás é chamado de par elétron-buraco. "E sabemos que os pares de elétron-buraco são ingredientes essenciais para permitir a reação química para a produção de combustíveis solares, " ele adicionou.

p Mas se você quiser saber se um dispositivo PEC plasmônico está funcionando bem, você precisa aprender quantos elétrons se moveram das nanopartículas de ouro para o semicondutor, quantos pares elétron-buraco são formados, e quanto tempo esses pares elétron-buraco duram antes de o elétron retornar a um buraco na nanopartícula de ouro. "Quanto mais tempo os elétrons ficam separados dos buracos nas nanopartículas de ouro, isto é, quanto maior for a vida útil dos pares de elétron-buraco - mais tempo você tem para a reação química para a produção de combustíveis ocorrer, "Gessner explicou.

p Para responder a essas perguntas, Gessner e sua equipe usaram uma técnica chamada "espectroscopia de fotoelétrons de raios-X resolvidos no tempo de picossegundos (TRXPS)" no Berkeley Lab's Advanced Light Source (ALS) para contar quantos elétrons são transferidos entre as nanopartículas de ouro e o filme de dióxido de titânio, e medir quanto tempo os elétrons permanecem no outro material. Gessner disse que sua equipe é a primeira a aplicar a técnica de raios-X para estudar essa transferência de elétrons em sistemas plasmônicos, como as nanopartículas e o filme. "Esta informação é crucial para desenvolver combinações de materiais mais eficientes."

p Uma 'contagem' regressiva eletrônica com TRXPS

p Usando TRXPS no ALS, a equipe lançou pulsos de luz laser para excitar elétrons em nanopartículas de ouro de 20 nanômetros (20 bilionésimos de metro) (AuNP) anexadas a um filme semicondutor feito de dióxido de titânio nanoporoso (TiO ₂ )

p A equipe então usou pulsos curtos de raios-X para medir quantos desses elétrons "viajaram" do AuNP para o TiO ₂ para formar pares elétron-buraco, e então de volta "para casa" para os buracos no AuNP.

p "Quando você quiser tirar uma foto de alguém se movendo muito rápido, você faz isso com um breve flash de luz - para o nosso estudo, usamos flashes curtos de luz de raio-X, "Gessner disse." E nossa câmera é o espectrômetro de fotoelétrons que tira 'instantâneos' curtos em uma resolução de tempo de 70 picossegundos. "

p A medição TRXPS revelou algumas surpresas:eles observaram a transferência de dois elétrons do ouro para o dióxido de titânio - um número muito menor do que eles esperavam com base em estudos anteriores. Eles também aprenderam que apenas um em 1, 000 fótons (partículas de luz) geraram um par elétron-buraco, e que leva apenas um bilionésimo de segundo para um elétron se recombinar com um buraco na nanopartícula de ouro.

p Completamente, essas descobertas e métodos descritos no estudo atual podem ajudar os pesquisadores a estimar melhor o tempo ideal necessário para acionar a produção de combustíveis solares em nanoescala.

p "Embora a espectroscopia de fotoelétrons de raios-X seja uma técnica comum usada em universidades e instituições de pesquisa em todo o mundo, a maneira como o expandimos para estudos resolvidos com o tempo e o usamos aqui é muito original e só pode ser feito na fonte de luz avançada do Berkeley Lab, "disse Monika Blum, um co-autor do estudo e cientista de pesquisa no ALS.

p "O uso exclusivo de TRXPS por Monika e Oliver tornou possível identificar quantos elétrons no ouro são ativados para se tornarem portadores de carga - e localizar e rastrear seu movimento ao longo da região da superfície de um nanomaterial - com especificidade química sem precedentes e resolução de picossegundo, "disse a co-autora Francesca Toma, um cientista da equipe do Joint Center for Artificial Photosynthesis (JCAP) na Divisão de Ciências Químicas do Berkeley Lab. "Essas descobertas serão essenciais para obter uma melhor compreensão de como os materiais plasmônicos podem desenvolver os combustíveis solares."

p A próxima equipe planeja levar suas medições para escalas de tempo ainda mais rápidas com um laser de elétrons livres, e capturar instantâneos em nanoescala ainda mais precisos de elétrons trabalhando em um dispositivo PEC quando água é adicionada à mistura.