Nova ferramenta de microscopia para a investigação no domínio da energia
A técnica permite aos cientistas explorar com maior precisão as propriedades dos fotoelectrodos
Investigadores do Helmholtz-Zentrum Hereon, da Universidade Helmut Schmidt, do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley e do Helmholtz-Zentrum Berlin desenvolveram uma abordagem promissora para a deteção de alterações de tensão na superfície de fotoelectrodos, utilizando um método de análise de dados automatizado recentemente desenvolvido. O método apresentado na revista PRX Energy permite efetuar as chamadas medições de "Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM)" na ordem dos milissegundos. Funciona através da extração da informação contida em cada pixel de uma imagem KPFM, o que anteriormente não era possível. Os conhecimentos adquiridos desta forma podem contribuir para o desenvolvimento de materiais mais eficientes e estáveis para as células fotoelectroquímicas (PEC).
Representação esquemática da técnica apresentada no artigo. Os autores desenvolveram uma ferramenta de análise para obter a resolução MS usando KPFM.
Hereon/Dr. Sehun Seo
As PEC são células que convertem a luz em energia química e apoiam a produção sustentável de hidrogénio e de outros produtos químicos, como os combustíveis. Os fotoelectrodos, os componentes centrais das PEC, são sensíveis à luz e consistem em semicondutores. Nos PEC, os semicondutores absorvem a luz e geram portadores de carga que, em última análise, conduzem as reacções químicas. Apesar do seu potencial promissor, estes sistemas ainda não se encontram estabelecidos. A eficiência com que podem converter a luz solar em hidrogénio é ainda inferior à prevista teoricamente. Além disso, o seu desempenho deteriora-se significativamente com o tempo.
Para aumentar a eficiência e a estabilidade ao longo do tempo, os investigadores necessitam de instrumentos fiáveis. Por exemplo, a microscopia de alta resolução para estudar a estrutura subjacente e as suas propriedades relacionadas com a luz (optoelectrónicas).
Um instrumento de microscopia avançado para a investigação no domínio da energia
A equipa de investigadores concebeu a tecnologia que pode ajudar neste domínio. Permite estudar a interação entre a morfologia local de um fotoelectrodo (ou seja, a estrutura de pequenas áreas na sua superfície) e a sua dinâmica de transporte de cargas (ou seja, a forma como os electrões e os buracos se movem num material).
A nova abordagem, apresentada pela Prof.ª Dr.ª Francesca M. Toma, principal autora do artigo e diretora do Instituto de Materiais Funcionais para a Sustentabilidade, funciona através da medição de minúsculas alterações de tensão que ocorrem em pequenas áreas da superfície de um fotoelectrodo quando este é exposto à luz. Os investigadores utilizaram a sua técnica em colaboração com o Laboratório Nacional Lawrence Berkeley para estudar o dióxido de titânio (TiO2), um material semicondutor habitualmente utilizado para fabricar fotoelectrodos.
"Com o nosso novo método automatizado de análise de dados, podemos seguir pequenas alterações de tensão na superfície de um fotoelectrodo até ao milésimo de segundo, de uma forma nunca antes possível", explica o Dr. Mauricio Schieda, principal autor do artigo. "O dióxido de titânio é um sistema simples que nos permitiu desenvolver esta abordagem. E também para mostrar que é possível seguir o movimento das cargas sob a luz. Isto coloca-nos um passo mais perto de melhorar as tecnologias de combustível solar."
"Fiquei entusiasmada por compreender como a minúscula morfologia de um fotoelectrodo afecta a forma como as cargas se movem quando expostas à luz", diz Maryam Pourmahdavi, estudante de doutoramento na Universidade Helmut Schmidt, que está a trabalhar no projeto no Instituto Hereon e é a primeira autora do artigo. "Este conhecimento é a chave para a conceção de células fotoelectroquímicas mais eficientes e duradouras".
Informar a conceção de futuros fotoelectrodos
Com a técnica desenvolvida, os investigadores obtiveram novos conhecimentos sobre a relação entre a estrutura de pequenas áreas de um fotoelectrodo e a sua dinâmica de transporte de carga. A mesma abordagem poderá em breve ser utilizada para estudar outros materiais para além do TiO2, contribuindo potencialmente para o desenvolvimento de fotoelectrodos mais eficazes para PECs.
"Este trabalho tem origem após anos de progresso do nosso grupo e da comunidade no avanço das técnicas de microscopia de força atómica para investigar materiais fotoelectroquímicos, combinadas com abordagens mais recentes de ciência de dados que permitem extrair cada vez mais informação de uma simples imagem", afirma o Prof. Toma". "Agora que demonstrámos o potencial da técnica num sistema modelo como o TiO2, estamos prontos para estudar muitos mais materiais e descobrir outros ainda mais eficientes."
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Inglês pode ser encontrado aqui.
Publicação original
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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