Imaging nanoscale photocarrier traps in solar water-splitting catalysts

Stellen Sie sich die Sonne als einen riesigen, freien Akku vor, der am Himmel schwebt, und stellen Sie sich vor, Wissenschaftler versuchen, winzige, mikroskopische Fabriken zu bauen, die dieses Sonnenlicht einfangen und in sauberen Brennstoff, wie zum Beispiel Wasserstoffgas, umwandeln können. Dieses Forschungsfeld wird als solare Wasserstoffspaltung bezeichnet. Die „Fabriken“ bestehen meist aus speziellen Materialien, die man Fotokatalysatoren nennt – im Grunde sind dies Nanopartikel, die wie winzige Solarpanels wirken. Wenn Sonnenlicht auf sie trifft, schlägt es winzige Teilchen namens Elektronen (und hinterlässt dabei „Löcher“) heraus, was einen Energiefluss erzeugt. Das Ziel ist es, diese energiereichen Elektronen zur Oberfläche des Partikels zu leiten, wo sie helfen können, Wassermoleküle aufzuspalten.

Doch es gibt einen Haken. Der Pfad der Elektronen innerhalb dieser winzigen Fabriken ist oft voller Schlaglöcher und Fallen. Stellen Sie es sich wie ein Pinball-Spiel vor, bei dem der Ball (das Elektron) eigentlich reibungslos zur Ziellinie rollen sollte, aber stattdessen immer wieder in kleinen Löchern stecken bleibt oder von Stopper-Elementen abprallt, die ihn daran hindern, seine Aufgabe zu erfüllen. Diese „Fallen“ werden meist durch fehlende Atome oder Verunreinigungen im Material verursacht. Wenn die Elektronen stecken bleiben, können sie nicht helfen, Brennstoff herzustellen, und der gesamte Prozess wird ineffizient. Jahrelang wussten Wissenschaftler, dass diese Fallen existieren, aber es war, als versuche man, ein bestimmtes Schlagloch in einem dunklen Raum mit einer Taschenlampe zu finden, die immer nur den ganzen Raum auf einmal beleuchtet. Sie konnten sehen, dass der Raum uneben war, aber sie konnten nicht genau sehen, wo sich die Unebenheiten befanden oder wie tief sie waren.

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Die große Entdeckung der Studie: Eine super-scharfe Taschenlampe für winzige Fallen

In dieser Studie beschlossen Forscher von Orten wie dem Caltech und dem Argonne National Laboratory, eine viel bessere Taschenlampe zu bauen. Sie entwickelten eine neue Methode, ein leistungsstarkes Elektronenmikroskop (eine Maschine, die statt Licht Elektronenstrahlen verwendet, um Dinge zu sehen) mit einem Laser zu kombinieren. Sie nennen diese Technik „photomodulierte STEM-EELS“.

So haben sie es gemacht, unter Verwendung einer einfachen Analogie: Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, ein bestimmtes Instrument in einem lauten Orchester zu hören. Wenn Sie einfach nur die Lautstärke aufdrehen, hören Sie alles vermischt. Aber wenn Sie auf die Trommel in einem bestimmten Rhythmus klopfen könnten und nur auf den Klang hören würden, der sich durch dieses Klopfen verändert, könnten Sie die Trommel isolieren. Die Forscher haben etwas Ähnliches gemacht. Sie strahlten einen Laser auf ihre winzigen Solarpartikel, um sie zu „klopfen“ und angeregte Elektronen zu erzeugen. Dann nutzten sie das Elektronenmikroskop, um zu beobachten, wie sich die Energie der Elektronen veränderte. Durch den Vergleich des „Klopfens“ (Laser an) mit der Stille (Laser aus) und durch den Einsatz super-intelligenter Computersimulationen, um die Mathematik zu verstehen, konnten sie die durch den Laser erzeugte Hitze von der eigentlichen Bewegung der Elektronen trennen.

Was sie herausgefunden haben

Das Team untersuchte einen spezifischen Typ von Solarpartikeln aus Strontiumtitanat, das mit Rhodium dotiert ist (eine schicke Art zu sagen, dass sie ein wenig Rhodium hinzugefügt haben, um es mit sichtbarem Licht funktionsfähig zu machen). Sie wollten genau sehen, wo die Elektronen stecken bleiben.

Unter Verwendung ihres neuen „Super-Taschenlampen“-Verfahrens erstellten sie eine Karte des Partikels in einem Maßstab, der so klein ist, dass er in Angström gemessen wird (ein Angström ist etwa die Breite eines einzelnen Atoms). Hier ist, was sie entdeckten:

1. Die Fallen liegen an der Oberfläche: Sie fanden heraus, dass die Elektronen in einer Schicht direkt an der Oberfläche des Partikels gefangen werden. Konkret wurden diese Fallen durch „Sauerstofffehlstellen“ verursacht, also Stellen, an denen ein Sauerstoffatom aus der Kristallstruktur fehlt.
2. Die Dichte ist hoch: Sie maßen, dass die Konzentration dieser eingefangenen Elektronen an der Oberfläche etwa 70 % höher war als im Inneren (dem Bulk) des Partikels.
3. Die „Hitze“- vs. „Elektronen“-Verwechslung: Eine der größten Herausforderungen, die sie gelöst haben, war die Unterscheidung zwischen der Erwärmung des Partikels durch den Laser und den tatsächlich bewegten Elektronen. Sie fanden heraus, dass sich die Hitze gleichmäßig über das gesamte Partikel ausbreitete, die eingefangenen Elektronen jedoch eng an spezifischen Stellen auf der Oberfläche konzentriert waren.

Was sie ausgeschlossen haben

Vor dieser Studie glaubten viele Wissenschaftler, dass die Elektronen leicht von dem Partikel wegspringen und auf kleinen Kupfer-„Helfern“ (Kokatalysatoren) landen würden, die an der Oberfläche befestigt sind, oder dass sie an den Rhodium-Atomen selbst hängen bleiben würden. Dieses Paper legt nahe, dass dies nicht die ganze Geschichte ist. Die Forscher fanden heraus, dass deutlich weniger Elektronen tatsächlich zu den Kupfer-Helfern wanderten oder an den Rhodium-Atomen hängen blieben, als bisher angenommen wurde. Stattdessen scheint das Hauptproblem zu sein, dass die Elektronen in den Sauerstofffehlstellen an der Oberfläche gefangen werden, bevor sie die Helfer erreichen können.

Warum das wichtig ist

Die Autoren deuten an, dass diese neue Art, Materialien zu betrachten, die Art und Weise, wie wir bessere Solar-Brennstofffabriken entwerfen könnten, verändert. Wenn das Hauptproblem darin besteht, dass die Elektronen in Oberflächenfallen stecken bleiben, anstatt zu den Helfern zu fließen, dann muss das Rezept für die Herstellung dieser Partikel geändert werden. Anstatt sich nur darauf zu konzentrieren, mehr Helfer hinzuzufügen, müssen Wissenschaftler sich vielleicht darauf konzentrieren, die Oberfläche zu glätten, um jene Sauerstofffehlstellen zu entfernen.

Das Paper behauptet nicht, das Problem bereits gelöst zu haben; es sagt lediglich: „Hey, wir haben endlich eine Karte, die uns genau zeigt, wo sich die Staus bilden.“ Indem sie diese Fallen mit einer solch unglaublichen Klarheit sehen – bis hin zur Größe einzelner Atome –, hoffen sie, dass Ingenieure bessere Materialien entwickeln können, die den Elektronen einen freien Fluss ermöglichen und somit die solare Wasserstoffspaltung wesentlich effizienter machen. Die Studie bestätigt, dass wir diese Partikel zwar herstellen können, aber immer noch herausfinden müssen, wie wir verhindern, dass die Elektronen in den Schlaglöchern der Oberfläche stecken bleiben.