Med hjälp av ett atomkraftsmikroskop utrustat med en elektrodspets 1, 000 gånger mindre än ett människohår, University of Oregon-forskare har i realtid identifierat hur katalysatorer i nanoskala samlar in laddningar som exciteras av ljus i halvledare.

Som rapporterats i tidningen Naturmaterial , de upptäckte att när storleken på de katalytiska partiklarna krymper under 100 nanometer blir samlingen av exciterade positiva laddningar (hål) mycket effektivare än insamlingen av exciterade negativa laddningar (elektroner). Detta fenomen förhindrar de exciterade positiva och negativa laddningarna från att rekombineras och ökar därmed systemets effektivitet.

Resultaten öppnar dörren för att förbättra system som använder ljus för att tillverka kemikalier och bränslen, till exempel genom att klyva vatten för att göra vätgas eller genom att kombinera koldioxid och vatten för att göra kolbaserade bränslen eller kemikalier, sa Shannon W. Boettcher, professor vid UO:s institution för kemi och biokemi och ledamot av universitetets materialvetenskapliga institut.

"Vi hittade en designprincip som pekar på att göra katalytiska partiklar riktigt små på grund av fysiken vid gränssnittet, som gör att man kan öka effektiviteten, " Boettcher sa. "Vår teknik gjorde det möjligt för oss att titta på flödet av exciterade laddningar med upplösning i nanometerskala, vilket är relevant för enheter som använder katalytiska komponenter och halvledarkomponenter för att göra väte som vi kan lagra för användning när solen inte skiner."

I forskningen, Boettchers team använde ett modellsystem bestående av en väldefinierad enkristallkiselskiva belagd med metalliska nickelnanopartiklar av olika storlekar. Silikonet absorberar solljus och skapar exciterade positiva och negativa laddningar. Nickelnanopartiklarna samlar sedan selektivt de positiva laddningarna och påskyndar reaktionen av dessa positiva laddningar med elektroner i vattenmolekyler, dra isär dem.

Tidigare, Boettcher sa, forskare kunde bara mäta den genomsnittliga strömmen som rör sig över en sådan yta och den genomsnittliga spänningen som genereras av ljuset som träffar halvledaren. För att titta närmare, hans team samarbetade med Bruker Nano Surfaces, tillverkaren av UO:s atomkraftmikroskop som avbildar topografin på ytor genom att knacka en skarp spets över den - ungefär som en blind person som knackar på sin käpp - för att utveckla de tekniker som behövs för att mäta spänning vid nanoskala.

När elektrodspetsen rörde var och en av nickelnanopartiklarna, forskarna kunde registrera uppbyggnaden av hål genom att mäta en spänning – liknande hur man testar spänningen från ett batteri.

Förvånande, spänningen mätt när enheten fungerade berodde starkt på nickel -nanopartikelns storlek. Små partiklar kunde bättre välja för insamling av exciterade positiva laddningar framför negativa laddningar, minska hastigheten för rekombination av laddning och generera högre spänningar som bättre delar isär vattenmolekyler.

En tangent, Boettcher sa, är att oxidation vid nickelnanopartikelns yta leder till en barriär, ungefär som överlappande åsar i en bergsdal, som förhindrar de negativt laddade elektronerna från att flöda till katalysatorn och förstöra de positivt laddade hålen. Denna effekt har kallats "pinch-off" och antogs förekomma i solid-state-enheter i årtionden men aldrig tidigare direkt observerats i bränslebildande fotoelektrokemiska system.

"Denna nya teknik är ett allmänt sätt att undersöka tillståndet för funktioner i nanoskala i elektrokemiska miljöer, " sa studiens huvudförfattare Forrest Laskowski, som var en forskarstipendiat från National Science Foundation i Boettchers labb. "Medan våra resultat är användbara för att förstå fotoelektrokemisk energilagring, Tekniken skulle kunna användas mer allmänt för att studera elektrokemiska processer i aktivt fungerande system som bränsleceller, batterier, eller till och med biologiska membran. "