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Certos óxidos metálicos são considerados bons candidatos para fotocatalisadores para produzir hidrogênio verde com a luz solar. Uma equipe chinesa publicou agora resultados interessantes sobre partículas de óxido de cobre(I) na Nature, para os quais um método desenvolvido na HZB contribuiu significativamente. A espectroscopia de fotovoltagem de superfície transiente mostrou que os portadores de carga positiva nas superfícies são aprisionados por defeitos ao longo de microssegundos. Os resultados fornecem pistas para aumentar a eficiência dos fotocatalisadores.
A divisão da água em hidrogênio e oxigênio com a ajuda de partículas fotocataliticamente ativas poderia produzir hidrogênio verde de forma barata no futuro: a luz solar ativa os portadores de carga em fotocatalisadores, cuja separação espacial desempenha um papel decisivo na divisão fotocatalítica da água. No entanto, os fotocatalisadores de hoje ainda são muito caros ou pouco eficientes.
Candidatos a catalisadores
Partículas de óxidos metálicos são consideradas candidatas com grande potencial. No entanto, quando os portadores de carga são ativados pela luz, vários processos se sobrepõem que ocorrem em diferentes velocidades e em diferentes escalas espaciais. Para observar esses processos experimentalmente, são necessários métodos que ofereçam resoluções de tempo de até femtossegundos, mas também possam observar processos mais longos que ocorrem em microssegundos e mais lentos. Isso agora foi alcançado em partículas de óxido de cobre (I) microcristalino por uma equipe liderada por Fengtao Fan e Can Li do Laboratório Nacional de Energia Limpa de Dalian, na China.
Processos rápidos e lentos
Usando imagens de microscopia eletrônica de fotoemissão de fotoemissão rápida e sucessiva, os cientistas mostraram que um desses processos ocorre extremamente rapidamente em Cu2Partículas O – em menos de picossegundos (10-12 s): Após a excitação com luz, os elétrons são transferidos quase balisticamente para {001} facetas de Cu2O partículas.
No entanto, para observar experimentalmente um segundo processo, foi necessário um método diferente: porque “buracos” fotogerados migram para {111} facetas e ficam presos lá por defeitos. Thomas Dittrich foi capaz de observar este importante processo usando espectroscopia de fotovoltagem de superfície transiente (espectroscopia SPV), um método que ele desenvolveu na HZB. “Descobrimos que a captura de buracos ocorreu de forma relativamente lenta, ao longo de microssegundos”, explica ele.
Alta resolução temporal em uma ampla faixa
Juntos, os resultados permitem pela primeira vez estudar e entender melhor os processos que limitam a fotocatálise em partículas microcristalinas com alta resolução espacial e temporal em amplas faixas.
Método versátil para analisar semicondutores
“Com a espectroscopia SPV transiente, também podemos investigar outros semicondutores e interfaces que são relevantes, por exemplo, para aplicações que vão desde fotovoltaica e fotocatálise até eletrônica de alto desempenho”, diz Dittrich. Informações interessantes sobre processos de relaxamento também podem ser obtidas a partir de semicondutores orgânicos ou semicondutores de banda ultralarga, como o diamante. “Talvez nossa publicação na Nature espalhe a mensagem de quão útil esse método versátil pode ser”, diz Dittrich.
Livro didático: “Conceitos de materiais para células solares”, Imperial College Press (2014), 552 páginas. ISBN: 978-1783264445
O livro escrito por Thomas Dittrich e Steffen Fengler apresenta entre outros tópicos o método de espectroscopia SPV.
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