p Na busca por realizar a fotossíntese artificial para converter a luz solar, agua, e dióxido de carbono em combustível - assim como as plantas - os pesquisadores precisam não apenas identificar os materiais para realizar com eficiência a separação fotoeletroquímica da água, mas também para entender por que um determinado material pode ou não funcionar. Agora, os cientistas do Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) foram os pioneiros em uma técnica que usa imagens em nanoescala para entender como local, propriedades em nanoescala podem afetar o desempenho macroscópico de um material. p Seu estudo, "Imagem em nanoescala de transporte de carga em ânodos de divisão de água", acaba de ser publicado em Nature Communications . Os pesquisadores principais foram Johanna Eichhorn e Francesca Toma, da Divisão de Ciências Químicas do Berkeley Lab.

p “Esta técnica correlaciona a morfologia do material à sua funcionalidade, e dá uma visão sobre o mecanismo de transporte de carga, ou como as cargas se movem dentro do material, em nanoescala, "disse Toma, que também é pesquisador do Joint Center for Artificial Photosynthesis, um Centro de Inovação do Departamento de Energia.

p A fotossíntese artificial visa produzir combustível com alta densidade energética usando apenas a luz solar, agua, e dióxido de carbono como insumos. A vantagem de tal abordagem é que ela não compete com os estoques de alimentos e produziria nenhuma ou baixa emissão de gases de efeito estufa. Um sistema fotoeletroquímico de divisão de água requer semicondutores especializados que usam a luz solar para dividir as moléculas de água em hidrogênio e oxigênio.

p O vanadato de bismuto foi identificado como um material promissor para um fotoanodo, que fornece cargas para oxidar a água em uma célula fotoeletroquímica. “Este material é um exemplo de caso em que a eficiência deveria ser teoricamente boa, mas em testes experimentais você realmente observa uma eficiência muito baixa, "Eichhorn disse." As razões para isso não são completamente compreendidas. "

p Os pesquisadores usaram microscopia de força atômica fotocondutora para mapear a corrente em cada ponto da amostra com alta resolução espacial. Esta técnica já foi usada para analisar o transporte local de carga e propriedades optoeletrônicas de materiais de células solares, mas não é conhecida por ter sido usada para entender as limitações do transporte de portadores de carga em nanoescala em materiais fotoeletroquímicos.

p Eichhorn e Toma trabalharam com cientistas da Molecular Foundry, uma instalação de pesquisa científica em nanoescala no Berkeley Lab, nessas medições por meio do programa do usuário da Foundry. Eles descobriram que havia diferenças no desempenho relacionadas à morfologia em nanoescala do material.

p "Descobrimos que a forma como as cargas são utilizadas não é homogênea em toda a amostra, mas sim, existe heterogeneidade, "Eichhorn disse." Essas diferenças no desempenho podem ser responsáveis ​​por seu desempenho macroscópico - o resultado geral da amostra - quando realizamos a separação da água. "

p Para entender esta caracterização, Toma dá o exemplo de um painel solar. "Digamos que o painel tenha 22 por cento de eficiência, "ela disse." Mas você pode dizer em nanoescala, em cada ponto do painel, que lhe dará uma eficiência de 22 por cento? Esta técnica permite que você diga, sim ou não, especificamente para materiais fotoeletroquímicos. Se a resposta for não, isso significa que há menos pontos ativos em seu material. Na melhor das hipóteses, isso apenas diminui sua eficiência total, mas se houver processos mais complexos, sua eficiência pode ser reduzida em muito. "

p A melhor compreensão de como o vanadato de bismuto está funcionando também permitirá aos pesquisadores sintetizar novos materiais que podem ser capazes de conduzir a mesma reação de forma mais eficiente. Este estudo se baseia em pesquisas anteriores de Toma e outros, no qual ela foi capaz de analisar e prever o mecanismo que define a estabilidade (foto) química de um material fotoeletroquímico.

p Toma disse que esses resultados colocam os cientistas muito mais perto de alcançar uma fotossíntese artificial eficiente. "Agora sabemos como medir a fotocorrente local nesses materiais, que têm condutividade muito baixa, "disse ela." O próximo passo é colocar tudo isso em um eletrólito líquido e fazer exatamente a mesma coisa. Temos as ferramentas. Agora sabemos como interpretar os resultados, e como analisá-los, que é um primeiro passo importante para seguir em frente. "