La scienza immortala elettroni che raccolgono luce su scala atomica

Nella ricerca di alternative energetiche pulite ai combustibili fossili, una soluzione promettente si basa su celle fotoelettrochimiche (PEC): dispositivi di fotosintesi artificiale che scindono l’acqua che trasformano la luce solare e l’acqua in combustibili solari come l’idrogeno. In appena un decennio, i ricercatori del settore hanno ottenuto grandi progressi nello sviluppo di sistemi PEC. Questi sono costituiti da nanoparticelle d’oro che assorbono la luce attaccate ad un semiconduttore di biossido di titanio. Nonostante questi progressi tuttavia, i ricercatori hanno ancora difficoltà a realizzare un dispositivo in grado di produrre combustibili solari su scala commerciale.

Ora, un team di scienziati guidato dal Lawrence Berkeley National Laboratory del Dipartimento di Energia (Berkeley Lab) ha acquisito nuove importanti informazioni sul ruolo degli elettroni nella raccolta della luce. Gli scienziati affermano che il loro studio, recentemente pubblicato sul Journal of Physical Chemistry Letters, può aiutare i ricercatori a sviluppare combinazioni di materiali più efficienti per la progettazione di dispositivi a combustibili solari ad alte prestazioni.

E tracciando il movimento degli elettroni in questi sistemi complessi con specificità chimica e risoluzione temporale di picosecondi (trilionesimi di secondo), i membri del team di ricerca ritengono di aver sviluppato un nuovo strumento in grado di calcolare più accuratamente l’efficienza di conversione dei combustibili solari dei dispositivi futuri.

Coppie elettrone-lacuna: viene alla luce un accoppiamento produttivo

I ricercatori che studiano i sistemi PEC che dividono l’acqua si sono interessati al superiore assorbimento della luce delle nanoparticelle d’oro grazie alla loro “risonanza plasmonica”, la capacità degli elettroni nelle nanoparticelle d’oro di muoversi in sincronia con il campo elettrico della luce solare. Il trucco sta nel trasferire gli elettroni tra due diversi tipi di materiali, dalle nanoparticelle d’oro che assorbono la luce al semiconduttore di biossido di titanio.

Quando gli elettroni vengono trasferiti dalle nanoparticelle d’oro nel semiconduttore di biossido di titanio, lasciano “buchi”. La combinazione di un elettrone iniettato nel biossido di titanio e il buco lasciato dall’elettrone è chiamata coppia elettrone-lacuna. Queste coppie sono ingredienti fondamentali per consentire la reazione chimica per la produzione di combustibili solari. Tuttavia è importante capire quanto tempo queste coppie durano prima l’elettrone ritorni in un buco nella nanoparticella d’oro. Più a lungo durano più tempo ci sarà per la reazione chimica.

Per contare quanti elettroni si trasferiscono tra le nanoparticelle d’oro e il semiconduttore, e misurare quanto tempo rimangono nell’altro materiale, i ricercatori hanno utilizzato una tecnica chiamata “spettroscopia fotoelettronica a raggi X risolta nel tempo a picosecondi (TRXPS)”.

Un “conto alla rovescia” elettronico con TRXPS

Usando TRXPS all’ALS, il team ha emesso impulsi di luce laser per eccitare gli elettroni in nanoparticelle d’oro (AuNP) a 20 nanometri (20 miliardesimi di metro) attaccate a una pellicola semiconduttrice fatta di biossido di titanio nanoporoso (TiO 2). Il team ha quindi utilizzato brevi impulsi a raggi X per misurare quanti di questi elettroni “viaggiavano” dall’AUNP al TiO 2 per formare coppie elettrone-lacuna. In sostanza lo spettrometro fotoelettronico è stato utilizzato come una sorta di fotocamera per scattare brevi istantanee agli elettroni a una risoluzione temporale di 70 psicosecondi.

La misurazione TRXPS ha rivelato alcune sorprese: hanno osservato il trasferimento di due elettroni dall’oro al biossido di titanio, un numero molto inferiore a quello che si aspettavano sulla base di studi precedenti. Hanno anche imparato che solo uno su 1.000 fotoni (particelle di luce) ha generato una coppia elettrone-lacuna e che ci vuole solo un miliardesimo di secondo perché un elettrone si ricombini con un buco nella nanoparticella d’oro.

Nel complesso, questi risultati e metodi descritti nel presente studio potrebbero aiutare i ricercatori a stimare meglio il tempo ottimale necessario per attivare la produzione di combustibili solari su scala nanometrica. Il team prevede di spingere le proprie misurazioni su scale temporali ancora più veloci con un laser a elettroni liberi e di acquisire istantanee di ancora più fini su nanoscala di elettroni.