A l'aide d'un microscope à force atomique muni d'une pointe d'électrode 1, 000 fois plus petit qu'un cheveu humain, Des chercheurs de l'Université de l'Oregon ont identifié en temps réel comment les catalyseurs à l'échelle nanométrique collectent des charges excitées par la lumière dans les semi-conducteurs.

Comme indiqué dans le journal Matériaux naturels , ils ont découvert que lorsque la taille des particules catalytiques diminue en dessous de 100 nanomètres, la collection de charges positives excitées (trous) devient beaucoup plus efficace que la collection de charges négatives excitées (électrons). Ce phénomène empêche la recombinaison des charges positives et négatives excitées et augmente ainsi l'efficacité du système.

Les résultats ouvrent la porte à l'amélioration des systèmes qui utilisent la lumière pour fabriquer des produits chimiques et des carburants, par exemple en divisant l'eau pour produire de l'hydrogène gazeux ou en combinant du dioxyde de carbone et de l'eau pour fabriquer des carburants ou des produits chimiques à base de carbone, a déclaré Shannon W. Boettcher, professeur au département de chimie et de biochimie de l'UO et membre de l'institut des sciences des matériaux de l'université.

"Nous avons trouvé un principe de conception qui vise à rendre les particules catalytiques vraiment petites en raison de la physique à l'interface, qui permet d'augmenter l'efficacité, " a déclaré Boettcher. "Notre technique nous a permis de regarder le flux de charges excitées avec une résolution à l'échelle nanométrique, ce qui est pertinent pour les appareils qui utilisent des composants catalytiques et semi-conducteurs pour fabriquer de l'hydrogène que nous pouvons stocker pour une utilisation lorsque le soleil ne brille pas. »

Dans la recherche, L'équipe de Boettcher a utilisé un système modèle composé d'une plaquette de silicium monocristallin bien définie recouverte de nanoparticules de nickel métalliques de différentes tailles. Le silicium absorbe la lumière du soleil et crée des charges positives et négatives excitées. Les nanoparticules de nickel collectent ensuite sélectivement les charges positives et accélèrent la réaction de ces charges positives avec les électrons des molécules d'eau, les séparer.

Précédemment, Boettcher a dit, les chercheurs n'ont pu mesurer que le courant moyen traversant une telle surface et la tension moyenne générée par la lumière frappant le semi-conducteur. A regarder de plus près, son équipe a collaboré avec Bruker Nano Surfaces, le fabricant du microscope à force atomique de l'UO qui image la topographie des surfaces en tapotant une pointe acérée dessus - un peu comme une personne aveugle tapotant sa canne - pour développer les techniques nécessaires pour mesurer la tension à l'échelle nanométrique.

Lorsque la pointe de l'électrode a touché chacune des nanoparticules de nickel, les chercheurs ont pu enregistrer l'accumulation de trous en mesurant une tension, de la même manière que l'on teste la tension de sortie d'une batterie.

Étonnamment, la tension mesurée pendant le fonctionnement de l'appareil dépendait fortement de la taille de la nanoparticule de nickel. Les petites particules ont pu mieux sélectionner pour la collecte de charges positives excitées par rapport aux charges négatives, réduire le taux de recombinaison de charge et générer des tensions plus élevées qui séparent mieux les molécules d'eau.

Une clé, Boettcher a dit, est que l'oxydation à la surface des nanoparticules de nickel conduit à une barrière, un peu comme des crêtes qui se chevauchent dans une vallée de montagne, qui empêche les électrons chargés négativement de s'écouler vers le catalyseur et d'annihiler les trous chargés positivement. Cet effet a été appelé "pincement" et a été supposé se produire dans les dispositifs à semi-conducteurs pendant des décennies, mais jamais auparavant directement observé dans les systèmes photoélectrochimiques formant du combustible.

"Cette nouvelle technique est un moyen général d'étudier l'état des caractéristiques à l'échelle nanométrique dans les environnements électrochimiques, " a déclaré l'auteur principal de l'étude, Forrest Laskowski, qui était un chercheur diplômé de la National Science Foundation dans le laboratoire de Boettcher. "Bien que nos résultats soient utiles pour comprendre le stockage d'énergie photoélectrochimique, la technique pourrait plus largement être appliquée à l'étude des processus électrochimiques dans les systèmes en fonctionnement actif tels que les piles à combustible, piles, ou même des membranes biologiques."