Análisis superficial de partículas catalizadoras en soluciones acuosas
Los resultados son relevantes para el desarrollo de fotoelectrodos eficientes para la producción de hidrógeno verde
El hidrógeno verde puede producirse directamente en una célula fotoelectroquímica, dividiendo el agua con energía solar. Sin embargo, para ello es necesario desarrollar fotoelectrodos supereficaces que combinen muchos talentos al mismo tiempo: Deben ser excelentes para convertir la luz solar en electricidad, permanecer estables en agua ácida o básica, actuar como catalizadores para promover la división del agua en hidrógeno y oxígeno, y ser baratos, abundantes y no tóxicos. La gran clase de materiales de los óxidos metálicos entra en cuestión. Sin embargo, es difícil averiguar qué ocurre realmente en las interfaces entre los electrodos sólidos de óxidos metálicos y el electrolito acuoso. Esto se debe a que el análisis de rayos X estándar no funciona para investigar procesos en muestras en entornos líquidos. Uno de los pocos métodos adecuados son los experimentos con un chorro de líquido: un chorro extremadamente fino de líquido en el que se suspenden nanopartículas de óxido metálico. Este chorro atraviesa la luz de rayos X de BESSY II, y la interferencia de las moléculas evaporadas con los datos de medición es insignificante (más información en el prólogo del número especial).
El microchorro es una corriente de líquido de flujo rápido tan estrecha que sólo produce una nube de vapor extremadamente diluida. Los fotones y las partículas pueden alcanzar y abandonar la superficie del chorro sin chocar con las moléculas de vapor.
Robert Seidel/HZB
El líquido con nanopartículas de óxido metálico en suspensión atraviesa la luz de rayos X en un chorro muy fino. De este modo, se pueden estudiar las reacciones químicas en las interfaces entre las partículas sólidas de óxido metálico y el electrolito líquido.
Robert Seidel/HZB
El Dr. Robert Seidel es un experto en este método de chorro líquido, que es el tema de un número especial de Accounts of Chemical Research. Se le invitó a ser el editor invitado del número y a informar también sobre nuevos experimentos en BESSY II que llevó a cabo con el Dr. Hebatallah Ali y el Dr. Bernd Winter del Instituto Fritz Haber.
Investigaron dos importantes sistemas modelo de fotoelectrodos: Nanopartículas de óxido de hierro (hematita, α-Fe2O3, y anatasa (óxido de titanio o TiO2) en electrolitos acuosos con distintos valores de pH. La hematites y la anatasa en suspensión son sistemas modelo fotocatalíticos. Son ideales para estudiar la interfaz sólido/electrolito a nivel molecular y para explorar las reacciones químicas en las interfaces electrodo-electrolito.
"Utilizamos espectroscopia fotoelectrónica resonante (PES) para identificar las huellas dactilares características de las distintas reacciones. Esto nos permitió reconstruir qué productos de reacción se forman en diferentes condiciones, sobre todo en función del pH". La pregunta clave: ¿Cómo reaccionan las moléculas de agua con o sobre las superficies de las nanopartículas?
De hecho, lo ácido o básico que sea un electrolito marca una gran diferencia, señaló Seidel. "A pH bajo, las moléculas de agua de la superficie de la hematites tienden a dividirse. No ocurre lo mismo con la anatasa, donde las moléculas de agua se adsorben en la superficie de las nanopartículas de TiO2 ", explica Seidel. Se necesita un valor de pH básico para que las moléculas de agua se rompan en las nanopartículas de anatasa. "Estos conocimientos sobre las interacciones superficiales con las moléculas de agua sólo son posibles con este método de chorro de líquido", afirma Seidel.
Los espectros también revelaron transiciones ultrarrápidas de electrones entre el óxido metálico y las moléculas de agua (divididas) de la superficie. Los resultados proporcionan información sobre los primeros pasos de la disociación del agua y ayudan a aclarar los mecanismos de la división del agua inducida por la luz en superficies de óxido metálico".
El número especial "Applications of Liquid Microjets in Chemistry" (Aplicaciones de los microchorros de líquido en la química)
"Vierta un vaso de agua y acérqueselo a la nariz, a un centímetro de distancia. ¿Qué es lo que no ve? Unos 3 millones de moléculas intervienen a lo largo de una línea entre la punta de tu nariz y la superficie del agua. Imagine que un fotón de rayos X o una partícula cargada o neutra intentan alcanzar o escapar de la superficie, pero antes chocan con algunas de estas moléculas intercaladas de forma que desordenan la información sobre sus interacciones con las moléculas interfaciales y más profundas del agua".
Lo que se describe tan vívidamente en el prólogo de este número especial ha sido durante mucho tiempo un problema importante. Hubo que esperar hasta 1988 para que el método del chorro líquido, introducido por Manfred Faubel, Stephan Schlemmer y Jan Peter Toennies, permitiera estudiar las superficies del agua sin estas perturbaciones. El microchorro es una corriente de líquido de flujo rápido tan estrecha que sólo produce una nube de vapor extremadamente diluida. Los fotones y las partículas pueden alcanzar y abandonar la superficie del chorro sin chocar con las moléculas de vapor. Un número especial de la revista Accounts of Chemical Research presenta ahora nuevos e interesantes resultados obtenidos con este método. El Dr. Robert Seidel, investigador del HZB, ha sido invitado como editor invitado.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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