Como é que os nanobastões de ouro se tornam electrolisadores de dimensão nanométrica?
Avanço no rastreio espetroscópico da fotocarga com relevância para a conversão de energia solar
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Pela primeira vez, um grupo de investigação da Universidade de Potsdam conseguiu seguir e quantificar em tempo real a acumulação de carga induzida pela luz em nanobastões de ouro. Um novo modelo físico deste processo, que descreve as nanopartículas como condensadores, é relevante para o desenvolvimento de procedimentos sustentáveis, como a redução de CO₂, a separação de água e a conversão de energia solar. A publicação "Capacitive photocharging of gold nanorods" foi publicada na Nature Communications e foi reconhecida como "Editor's Highlight".
Nanobastões de ouro rodeados por moléculas de água e etanol. A iluminação dos nanobastões gera uma fotovoltagem. Isto permite que as barras extraiam electrões do etanol e da água circundantes, resultando na acumulação de electrões nas barras (esferas azuis).
Dr. Felix Stete
Os nanobastões de ouro são fotocatalisadores promissores que podem utilizar a energia da luz para impulsionar reacções químicas - tais como a conversão de CO₂ em combustíveis utilizáveis ou a produção de hidrogénio a partir da água. Neste processo, os nanobastões funcionam como pequenas antenas que captam a luz e a convertem em oscilações colectivas dos seus electrões. Durante a reação, as partículas podem ficar carregadas eletricamente. Uma equipa de investigação da Universidade de Potsdam, liderada pelo físico Dr. Wouter Koopman, observou agora, pela primeira vez, diretamente como ocorre este processo de carregamento e desenvolveu um modelo que descreve os mecanismos subjacentes. Os resultados abrem caminho para o controlo orientado das reacções químicas e dos sistemas catalíticos impulsionados pela luz. A longo prazo, estes sistemas têm uma vasta gama de aplicações potenciais - desde reactores químicos alimentados por energia solar a novas tecnologias de armazenamento de energia.
A fotocarga é um processo central, mas anteriormente elusivo, na fotocatálise com partículas metálicas em nanoescala: sob iluminação, o excesso de carga pode acumular-se, influenciando significativamente as propriedades catalíticas. Num estudo in situ, a equipa conseguiu observar este efeito diretamente e demonstrar que os nanobastões de ouro se comportam como "condensadores fotoquímicos" sob exposição à luz: armazenam electrões na sua superfície. Devido à grande relação superfície/volume, uma quantidade substancial de carga pode acumular-se num espaço extremamente pequeno, levando a alterações pronunciadas nas suas propriedades ópticas e químicas.
"Conseguimos demonstrar diretamente que a luz, por si só, é suficiente para gerar potenciais eléctricos entre uma única nanopartícula e o seu ambiente", explica o Dr. Felix Stete, autor principal do estudo. Quando a luz é absorvida, são criados pares de electrões e buracos. Os buracos são transferidos para as moléculas circundantes - como o etanol - enquanto os electrões permanecem na partícula. "As nossas partículas comportam-se essencialmente como electrolisadores de dimensão nanométrica, dispositivos que dividem a água em H2 eO2 com a ajuda da eletricidade", diz Wouter Koopman, "exceto que não necessitam de uma fonte de tensão eléctrica externa". Ao fazê-lo, os investigadores fornecem um novo quadro físico para melhor compreender e otimizar as reacções químicas induzidas pela luz.
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