Nueva herramienta de microscopía para la investigación energética
La técnica permite a los científicos explorar con mayor precisión las propiedades de los fotoelectrodos
Investigadores del Helmholtz-Zentrum Hereon, la Universidad Helmut Schmidt, el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y el Helmholtz-Zentrum de Berlín han desarrollado un método prometedor para detectar cambios de tensión en la superficie de fotoelectrodos utilizando un nuevo método automatizado de análisis de datos. El método presentado en la revista PRX Energy permite realizar mediciones de microscopía de fuerza con sonda Kelvin (KPFM) en el rango de los milisegundos. Funciona extrayendo la información contenida en cada píxel de una imagen KPFM, lo que antes no era posible. Los conocimientos así obtenidos pueden contribuir al desarrollo de materiales más eficientes y estables para las células fotoelectroquímicas (PEC).
Representación esquemática de la técnica presentada en el artículo. Los autores desarrollaron una herramienta de análisis para obtener la resolución de EM mediante KPFM.
Hereon/Dr. Sehun Seo
Las PEC son células que convierten la luz en energía química y contribuyen a la producción sostenible de hidrógeno y otros productos químicos, como los combustibles. Los fotoelectrodos, componentes centrales de las PEC, son sensibles a la luz y están formados por semiconductores. En los PEC, los semiconductores absorben la luz y generan portadores de carga que, en última instancia, impulsan las reacciones químicas. A pesar de su prometedor potencial, estos sistemas aún no se han consolidado. La eficacia con la que pueden convertir la luz solar en hidrógeno sigue siendo inferior a la prevista teóricamente. Además, su rendimiento se deteriora considerablemente con el tiempo.
Para mejorar la eficiencia y la estabilidad a lo largo del tiempo, los investigadores necesitan instrumentos fiables. Como la microscopía de alta resolución para estudiar la estructura subyacente y sus propiedades relacionadas con la luz (optoelectrónicas).
Un instrumento avanzado de microscopía para la investigación energética
El equipo de investigadores ha ideado la tecnología que puede ayudar en este sentido. Permite estudiar la interacción entre la morfología local de un fotoelectrodo (es decir, la estructura de pequeñas zonas de su superficie) y su dinámica de transporte de cargas (es decir, lo bien que se mueven los electrones y los huecos en un material).
El nuevo método, presentado por la Prof. Dra. Francesca M. Toma, autora principal del artículo y directora del Instituto de Materiales Funcionales para la Sostenibilidad, funciona midiendo los diminutos cambios de voltaje que se producen en pequeñas zonas de la superficie de un fotoelectrodo cuando se expone a la luz. Los investigadores han utilizado su técnica en colaboración con el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley para estudiar el dióxido de titanio (TiO2), un material semiconductor utilizado habitualmente para fabricar fotoelectrodos.
"Con nuestro nuevo método automatizado de análisis de datos, podemos rastrear cambios diminutos de voltaje en la superficie de un fotoelectrodo hasta el milisegundo de una forma que nunca antes había sido posible", explica el Dr. Mauricio Schieda, autor principal del artículo. "El dióxido de titanio es un sistema sencillo que nos permitió desarrollar este enfoque. Y también demostrar que es posible seguir el movimiento de las cargas bajo la luz. Esto nos acerca un paso más a la mejora de las tecnologías de combustibles solares".
"Me entusiasmó comprender cómo la diminuta morfología de un fotoelectrodo afecta al movimiento de las cargas cuando se exponen a la luz", afirma Maryam Pourmahdavi, estudiante de doctorado en la Universidad Helmut Schmidt, que trabaja en el proyecto en el Instituto Hereon y es la primera autora del artículo. "Este conocimiento es la clave para diseñar células fotoelectroquímicas más eficientes y duraderas".
Información para el diseño de futuros fotoelectrodos
Con la técnica desarrollada, los investigadores obtuvieron nuevos conocimientos sobre la conexión entre la estructura de pequeñas áreas en un fotoelectrodo y su dinámica de transporte de carga. El mismo enfoque podría utilizarse pronto para estudiar materiales distintos del TiO2, contribuyendo potencialmente al desarrollo de fotoelectrodos más eficaces para PEC.
"Este trabajo se origina tras años de progreso de nuestro grupo y de la comunidad en el avance de las técnicas de microscopía de fuerza atómica para investigar materiales fotoelectroquímicos, combinado con enfoques más recientes de ciencia de datos que permiten extraer cada vez más información de una simple imagen", afirma el Prof. Dr. Toma. "Ahora que hemos demostrado el potencial de la técnica en un sistema modelo como el TiO2, estamos preparados para estudiar muchos más materiales y descubrir otros aún más eficientes."
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Publicación 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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