¿Cómo se convierten los nanorods de oro en electrolizadores de tamaño nanométrico?
Gran avance en el seguimiento espectroscópico de la fotocarga, de interés para la conversión de la energía solar
Por primera vez, un grupo de investigación de la Universidad de Potsdam ha logrado seguir y cuantificar en tiempo real la acumulación de carga inducida por la luz en nanorods de oro. Un nuevo modelo físico de este proceso, que describe las nanopartículas como Condensadores, es relevante para el desarrollo de procedimientos sostenibles como la reducción de CO₂, la división del agua y la conversión de la energía solar. La publicación "Capacitive photocharging of gold nanorods" se publicó en Nature Communications y fue reconocida como "Editor's Highlight".
Nanorods de oro rodeados de moléculas de agua y etanol. La iluminación de los nanorods genera una fototensión. Esto permite a las barras extraer electrones del etanol y el agua circundantes, lo que da lugar a la acumulación de electrones en las barras (esferas azules).
Dr. Felix Stete
Los nanorods de oro son prometedores fotocatalizadores que pueden utilizar la energía luminosa para impulsar reacciones químicas, como la conversión de CO₂ en combustibles utilizables o la producción de hidrógeno a partir del agua. En este proceso, los nanorods actúan como diminutas antenas que captan la luz y la convierten en oscilaciones colectivas de sus electrones. Durante la reacción, las partículas pueden cargarse eléctricamente. Un equipo de investigadores de la Universidad de Potsdam dirigido por el físico Wouter Koopman ha observado directamente por primera vez cómo se produce este proceso de carga y ha desarrollado un modelo que describe los mecanismos subyacentes. Los resultados allanan el camino para el control selectivo de reacciones químicas y sistemas catalíticos impulsados por la luz. A largo plazo, estos sistemas tienen una amplia gama de aplicaciones potenciales, desde reactores químicos alimentados por energía solar hasta novedosas tecnologías de almacenamiento de energía.
La fotocarga es un proceso fundamental, pero hasta ahora difícil de detectar, en la fotocatálisis con partículas metálicas a nanoescala: bajo iluminación, puede acumularse un exceso de carga que influye significativamente en las propiedades catalíticas. En un estudio in situ, el equipo pudo observar directamente este efecto y demostrar que los nanorods de oro se comportan como "condensadores fotoquímicos" bajo la exposición a la luz: almacenan electrones en su superficie. Debido a la gran relación superficie-volumen, se puede acumular una cantidad sustancial de carga en un espacio extremadamente pequeño, lo que provoca cambios pronunciados en sus propiedades ópticas y químicas.
"Hemos podido demostrar directamente que la luz basta por sí sola para generar potenciales eléctricos entre una nanopartícula y su entorno", explica el Dr. Felix Stete, autor principal del estudio. Cuando se absorbe la luz, se crean pares electrón-hueco. Los huecos se transfieren a las moléculas circundantes, como el etanol, mientras que los electrones permanecen en la partícula. "Nuestras partículas se comportan esencialmente como electrolizadores de tamaño nanométrico, dispositivos que dividen el agua en H2 y O2 con ayuda de la electricidad", afirma Wouter Koopman, "salvo que no requieren una fuente de tensión eléctrica externa". Con ello, los investigadores proporcionan un nuevo marco físico para comprender mejor y optimizar las reacciones químicas impulsadas por la luz.
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