Nuovo strumento di microscopia per la ricerca energetica
La tecnica consente agli scienziati di esplorare con maggiore precisione le proprietà dei fotoelettrodi
I ricercatori dell'Helmholtz-Zentrum Hereon, dell'Università Helmut Schmidt, del Lawrence Berkeley National Lab e dell'Helmholtz-Zentrum Berlin hanno sviluppato un approccio promettente per rilevare le variazioni di tensione sulla superficie dei fotoelettrodi utilizzando un metodo di analisi dei dati automatizzato di nuova concezione. Il metodo, presentato sulla rivista PRX Energy, consente di effettuare le cosiddette misure di "Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM)" nell'ordine dei millisecondi. Funziona estraendo le informazioni contenute in ogni pixel di un'immagine KPFM, cosa che prima non era possibile. Le conoscenze acquisite in questo modo possono contribuire allo sviluppo di materiali più efficienti e stabili per le celle fotoelettrochimiche (PEC).
Rappresentazione schematica della tecnica presentata nell'articolo. Gli autori hanno sviluppato uno strumento di analisi per ottenere la risoluzione MS utilizzando la KPFM.
Hereon/Dr. Sehun Seo
Le PEC sono celle che convertono la luce in energia chimica e supportano la produzione sostenibile di idrogeno e altri prodotti chimici come i carburanti. I fotoelettrodi, i componenti centrali delle PEC, sono sensibili alla luce e sono costituiti da semiconduttori. Nei PEC, i semiconduttori assorbono la luce e quindi generano portatori di carica che, in ultima analisi, guidano le reazioni chimiche. Nonostante il loro promettente potenziale, questi sistemi non si sono ancora affermati. L'efficienza con cui possono convertire la luce solare in idrogeno è ancora inferiore a quella prevista teoricamente. Inoltre, le loro prestazioni si deteriorano notevolmente nel tempo.
Per migliorare l'efficienza e la stabilità nel tempo, i ricercatori hanno bisogno di strumenti affidabili. Come la microscopia ad alta risoluzione per studiare la struttura sottostante e le sue proprietà legate alla luce (optoelettroniche).
Uno strumento di microscopia avanzato per la ricerca energetica
Il team di ricercatori ha ideato una tecnologia che può aiutare in questo senso. Essa consente di studiare l'interazione tra la morfologia locale di un fotoelettrodo (cioè la struttura di piccole aree sulla sua superficie) e la sua dinamica di trasporto della carica (cioè il modo in cui elettroni e buchi si muovono in un materiale).
Il nuovo approccio, presentato dalla Prof.ssa Francesca M. Toma, autrice principale del lavoro e direttrice dell'Istituto di Materiali Funzionali per la Sostenibilità, funziona misurando le minuscole variazioni di tensione che si verificano in piccole aree della superficie di un fotoelettrodo quando questo viene esposto alla luce. I ricercatori hanno utilizzato la loro tecnica in collaborazione con il Lawrence Berkeley National Lab per studiare il biossido di titanio (TiO2), un materiale semiconduttore comunemente usato per produrre fotoelettrodi.
"Con il nostro nuovo metodo di analisi automatizzata dei dati, possiamo tracciare minuscole variazioni di tensione sulla superficie di un fotoelettrodo fino al millisecondo, in un modo che non è mai stato possibile prima", spiega il dottor Mauricio Schieda, autore principale dell'articolo. "Il biossido di titanio è un sistema semplice che ci ha permesso di sviluppare questo approccio. E anche di dimostrare che è possibile seguire il movimento delle cariche sotto la luce. Questo ci porta un passo più vicino al miglioramento delle tecnologie dei combustibili solari".
"Ero entusiasta di capire come la piccola morfologia di un fotoelettrodo influisca sul modo in cui le cariche si muovono quando vengono esposte alla luce", afferma Maryam Pourmahdavi, dottoranda presso l'Università Helmut Schmidt, che sta lavorando al progetto presso l'Istituto Hereon ed è il primo autore dell'articolo. "Questa conoscenza è la chiave per progettare celle fotoelettrochimiche più efficienti e durature".
Informazioni sulla progettazione dei futuri fotoelettrodi
Con la tecnica sviluppata, i ricercatori hanno acquisito nuove conoscenze sul legame tra la struttura di piccole aree su un fotoelettrodo e la sua dinamica di trasporto della carica. Lo stesso approccio potrebbe presto essere utilizzato per studiare materiali diversi dal TiO2, contribuendo potenzialmente allo sviluppo di fotoelettrodi più efficaci per le PEC.
"Questo lavoro nasce dopo anni di progressi da parte del nostro gruppo e della comunità nell'avanzamento delle tecniche di microscopia a forza atomica per studiare i materiali fotoelettrochimici, combinati con approcci più recenti di data science che consentono di estrarre sempre più informazioni da una semplice immagine", afferma il Prof. Dr. Toma. "Ora che abbiamo dimostrato il potenziale della tecnica su un sistema modello come il TiO2, siamo pronti a studiare molti altri materiali e a scoprirne di ancora più efficienti".
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Pubblicazione originale
Maryam Pourmahdavi, Mauricio Schieda, Ragle Raudsepp, Steffen Fengler, Jiri Kollmann, Yvonne Pieper, Thomas Dittrich, Thomas Klassen, Francesca M. Toma; "Correlating Local Morphology and Charge Dynamics via Kelvin Probe Force Microscopy to Explain Photoelectrode Performance"; PRX Energy, Volume 4, 2025-6-9
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