Observan cómo los electrones cosechan luz a nanoescala

Las nanopartículas de oro absorben la luz solar, pero no pueden producir combustible por sí mismas si no hay partículas de otro material cerca. Un equipo de científicos ha encontrado una manera de contar cuántos electrones se transfieren entre los dos materiales


Los científicos están trabajando para convertir la luz solar y el agua en combustible. Un enfoque prometedor es utilizar mezclas de nanopartículas diminutas, en las que las diferentes partículas desempeñan funciones diferentes.


Por ejemplo, las nanopartículas de oro absorben bien la luz solar, pero no pueden producir combustible de manera eficiente por sí mismas. Necesitan partículas de otro material cerca. El truco consiste en transferir electrones producidos por las partículas de oro donantes, a medida que absorben la luz, a las partículas aceptoras que inician la reacción química para producir combustible.


Un equipo de científicos ha encontrado una manera de contar cuántos electrones se transfieren entre los dos materiales. También pueden medir cuánto tiempo permanecen los electrones en las partículas aceptoras. Esta información es crucial para desarrollar combinaciones de donante-aceptor más eficientes.


Los pulsos de luz láser excitan electrones en nanopartículas de oro (AuNP) unidas a un sustrato de dióxido de titanio (TiO2). Los pulsos cortos de rayos X cuentan los electrones inyectados de las nanopartículas en el sustrato y controlan su retorno a las nanopartículas.


Este estudio muestra nueva herramienta experimental permite determinar la cantidad de electrones transferidos entre nanopartículas y un material subyacente. Los científicos pueden contar electrones, esta herramienta ayuda a explicar por qué algunos materiales usados para convertir la luz solar y el agua en combustible no funcionan tan bien como se esperan.


La respuesta es que las estimaciones anteriores de la eficiencia en la transferencia de electrones probablemente eran demasiado altas. La capacidad de cuantificar la transferencia de electrones ayudará a los científicos a diseñar materiales más eficientes. Estos materiales mejorados podrían algún día convertir económicamente la luz solar y el agua en combustible.


Para producir combustible a partir de la luz solar y el agua, la luz debe ser absorbida por un material que libera electrones. El proceso deja huecos (ausencia de electrones en la banda de valencia) en el material. El esquema general solo funciona bien si se crean muchos pares de electrones-huecos y si duran mucho tiempo. De lo contrario, la reacción química que produce el combustible no puede ocurrir.


Las nanopartículas de oro, esferas miles de veces más pequeñas que el grosor de un cabello, pueden funcionar cuando se adhieren a un sustrato hecho de dióxido de titanio. Los electrones en el oro se excitan cuando son golpeados por la luz solar. Este proceso crea huecos en el oro.


Cuando se transfieren al dióxido de titanio, los electrones se mantienen alejados de los agujeros mucho más tiempo que si permanecieran en el oro. Los investigadores pensaban anteriormente que casi todos los demás fotones pueden generar un par electrón-hueco. Eso no siempre es verdad.


Usando espectroscopía fotoelectrónica de rayos X de resolución temporal en Advanced Light Source de Lawrence Berkeley National Laboratory, los investigadores ahora pueden contar la cantidad de electrones transferidos. Descubrieron que solo uno de cada 1.000 fotones genera un par electrón-hueco. Luego, el electrón tarda menos de una milmillonésima de segundo en regresar del dióxido de titanio y recombinarse con el agujero.




Fuente: U.S. Department of Energy (DOE) Office of Science

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