Illustration av ett PEC-modellsystem med 20 nanometer guldnanopartiklar fästa vid titandioxid. Kredit:Berkeley Lab
I sökandet efter rena energialternativ till fossila bränslen, en lovande lösning förlitar sig på fotoelektrokemiska (PEC) celler - vattenuppdelning, konstgjorda fotosyntesanordningar som omvandlar solljus och vatten till solbränslen som väte.
På bara ett decennium, forskare inom området har gjort stora framsteg i utvecklingen av PEC-system gjorda av ljusabsorberande guldnanopartiklar – små sfärer som bara är miljarddels meter i diameter – fästa på en halvledarfilm av titandioxidnanopartiklar (TiO) 2 NP). Men trots dessa framsteg, forskare kämpar fortfarande för att göra en enhet som kan producera solbränslen i kommersiell skala.
Nu, ett team av forskare ledda av Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har fått viktig ny insikt om elektronernas roll i skörden av ljus i guld/TiO 2 NP PEC-system. Forskarna säger att deras studie, nyligen publicerad i Journal of Physical Chemistry Letters , kan hjälpa forskare att utveckla effektivare materialkombinationer för design av högpresterande solbränsleenheter.
"Genom att kvantifiera hur elektroner gör sitt arbete på nanoskala och i realtid, vår studie kan hjälpa till att förklara varför vissa vattenklyvande PEC-enheter inte fungerade så bra som vi hoppats, " sa senior författare Oliver Gessner, en senior forskare vid Berkeley Labs avdelning för kemiska vetenskaper.
Och genom att spåra elektronernas rörelse i dessa komplexa system med kemisk specificitet och pikosekunds (biljondels sekund) tidsupplösning, forskargruppens medlemmar tror att de har utvecklat ett nytt verktyg som mer exakt kan beräkna omvandlingseffektiviteten för solbränslen för framtida enheter.
Elektron-hål-par:En produktiv parning kommer fram
Forskare som studerar vattendelande PEC-system har varit intresserade av guldnanopartiklars överlägsna ljusabsorption på grund av deras "plasmoniska resonans" - förmågan hos elektroner i guldnanopartiklar att röra sig synkroniserat med solljusets elektriska fält.
"Knepet är att överföra elektroner mellan två olika typer av material - från de ljusabsorberande guldnanopartiklarna till titandioxidhalvledaren, " förklarade Gessner.
När elektroner överförs från guldnanopartiklarna till titandioxidhalvledaren, de lämnar efter sig "hål". Kombinationen av en elektron injicerad i titandioxid och hålet som elektronen lämnade efter sig kallas ett elektron-hål-par. "Och vi vet att elektron-hålpar är kritiska ingredienser för att möjliggöra den kemiska reaktionen för produktion av solbränslen, " han lade till.
Men om du vill veta hur väl en plasmonisk PEC-enhet fungerar, du behöver lära dig hur många elektroner som flyttade från guldnanopartiklarna till halvledaren, hur många elektron-hålpar bildas, och hur länge dessa elektron-hålpar varar innan elektronen återgår till ett hål i guldnanopartikeln. "Ju längre elektronerna är separerade från hålen i guldnanopartiklarna - det vill säga, ju längre livslängd elektron-hålsparen har – desto mer tid har du för den kemiska reaktionen för bränsleproduktion att äga rum, " förklarade Gessner.
För att svara på dessa frågor, Gessner och hans team använde en teknik som kallas "picosecond time-resolved X-ray photoelectron spectroscopy (TRXPS)" vid Berkeley Labs Advanced Light Source (ALS) för att räkna hur många elektroner som överförs mellan guldnanopartiklarna och titandioxidfilmen, och att mäta hur länge elektronerna stannar i det andra materialet. Gessner sa att hans team är det första att tillämpa röntgentekniken för att studera denna överföring av elektroner i plasmoniska system som nanopartiklarna och filmen. "Denna information är avgörande för att utveckla effektivare materialkombinationer."
En elektronisk nedräkning med TRXPS
Använder TRXPS vid ALS, laget sken pulser av laserljus för att excitera elektroner i 20 nanometer (20 miljarddelar av en meter) guldnanopartiklar (AuNP) fästa på en halvledande film gjord av nanoporös titandioxid (TiO) 2 ).
Teamet använde sedan korta röntgenpulser för att mäta hur många av dessa elektroner som "reste" från AuNP till TiO 2 att bilda elektron-hål-par, och sedan tillbaka "hem" till hålen i AuNP.
"När du vill ta en bild av någon som rör sig väldigt snabbt, du gör det med en kort ljusblixt - för vår studie, vi använde korta blixtar av röntgenljus, ", sa Gessner. "Och vår kamera är fotoelektronspektrometern som tar korta "snapshots" med en tidsupplösning på 70 pikosekunder."
TRXPS-mätningen avslöjade några överraskningar:De observerade två elektroner som överfördes från guld till titandioxid - ett mycket mindre antal än de hade förväntat sig baserat på tidigare studier. De lärde sig också att endast en av 1, 000 fotoner (ljuspartiklar) genererade ett elektron-hål-par, och att det tar bara en miljarddels sekund för en elektron att rekombinera med ett hål i guldnanopartikeln.
Sammanlagt, dessa fynd och metoder som beskrivs i den aktuella studien kan hjälpa forskare att bättre uppskatta den optimala tiden som behövs för att utlösa produktion av solbränslen på nanoskala.
"Även om röntgenfotoelektronspektroskopi är en vanlig teknik som används vid universitet och forskningsinstitutioner runt om i världen, sättet vi utökade det för tidsupplösta studier och använde det här är mycket unikt och kan endast göras på Berkeley Labs avancerade ljuskälla, sa Monika Blum, en medförfattare till studien och forskare vid ALS.
"Monikas och Olivers unika användning av TRXPS gjorde det möjligt att identifiera hur många elektroner på guld som aktiveras för att bli laddningsbärare - och att lokalisera och spåra deras rörelse genom hela ytområdet av ett nanomaterial - med oöverträffad kemisk specificitet och pikosekunders tidsupplösning, " sa medförfattaren Francesca Toma, en stabsforskare vid Joint Center for Artificial Photosynthesis (JCAP) i Berkeley Labs Chemical Sciences Division. "Dessa resultat kommer att vara nyckeln till att få en bättre förståelse för hur plasmoniska material kan främja solbränslen."
Teamet planerar nästa att driva sina mätningar till ännu snabbare tidsskalor med en frielektronlaser, och för att fånga ännu finare ögonblicksbilder i nanoskala av elektroner i arbete i en PEC-enhet när vatten läggs till blandningen.
