Come fanno i nanorod d'oro a diventare elettrolizzatori di dimensioni nanometriche?
Un'innovazione nel tracciamento spettroscopico della fotocarica con rilevanza per la conversione dell'energia solare
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Per la prima volta, un gruppo di ricerca dell'Università di Potsdam è riuscito a tracciare e quantificare in tempo reale l'accumulo di carica indotto dalla luce su nanorodi d'oro. Un nuovo modello fisico di questo processo, che descrive le nanoparticelle come condensatori, è rilevante per lo sviluppo di procedure sostenibili come la riduzione della CO₂, la scissione dell'acqua e la conversione dell'energia solare. La pubblicazione "Capacitive photocharging of gold nanorods" è stata pubblicata su Nature Communications ed è stata premiata come "Editor's Highlight".
Nanorodi d'oro circondati da molecole di acqua ed etanolo. Illuminando i nanorods si genera una fototensione. Ciò consente alle barre di estrarre elettroni dall'etanolo e dall'acqua circostanti, con conseguente accumulo di elettroni sulle barre (sfere blu).
Dr. Felix Stete
I nanorods d'oro sono promettenti fotocatalizzatori in grado di utilizzare l'energia luminosa per attivare reazioni chimiche, come la conversione di CO₂ in carburanti utilizzabili o la produzione di idrogeno dall'acqua. In questo processo, i nanorods agiscono come piccole antenne che catturano la luce e la convertono in oscillazioni collettive dei loro elettroni. Durante la reazione, le particelle possono diventare elettricamente cariche. Un gruppo di ricerca dell'Università di Potsdam, guidato dal fisico Wouter Koopman, ha ora osservato per la prima volta direttamente come avviene questo processo di carica e ha sviluppato un modello che descrive i meccanismi sottostanti. I risultati aprono la strada al controllo mirato delle reazioni chimiche e dei sistemi catalitici guidati dalla luce. A lungo termine, questi sistemi hanno un'ampia gamma di potenziali applicazioni, dai reattori chimici a energia solare alle nuove tecnologie di stoccaggio dell'energia.
La fotocarica è un processo centrale, ma finora sfuggente, nella fotocatalisi con particelle metalliche su scala nanometrica: sotto l'illuminazione, la carica in eccesso può accumularsi, influenzando in modo significativo le proprietà catalitiche. In uno studio in situ, il team ha potuto osservare direttamente questo effetto e dimostrare che i nanorod d'oro si comportano come "condensatori fotochimici" sotto l'esposizione alla luce: immagazzinano elettroni sulla loro superficie. Grazie all'ampio rapporto superficie/volume, una quantità sostanziale di carica può accumularsi in uno spazio estremamente ridotto, portando a pronunciati cambiamenti nelle loro proprietà ottiche e chimiche.
"Siamo riusciti a dimostrare direttamente che la luce da sola è sufficiente a generare potenziali elettrici tra una singola nanoparticella e il suo ambiente", spiega il dottor Felix Stete, autore principale dello studio. Quando la luce viene assorbita, si creano coppie elettrone-buco. I fori vengono trasferiti alle molecole circostanti, come l'etanolo, mentre gli elettroni rimangono sulla particella. "Le nostre particelle si comportano essenzialmente come elettrolizzatori di dimensioni nanometriche, dispositivi che scindono l'acqua inH2 e O2 con l'aiuto dell'elettricità", spiega Wouter Koopman, "tranne per il fatto che non richiedono una fonte di tensione elettrica esterna". In questo modo, i ricercatori forniscono un nuovo quadro fisico per comprendere meglio e ottimizzare le reazioni chimiche guidate dalla luce.
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