解码光生电荷的生命周期

新材料将使新技术能够将阳光转化为电力和燃料。分子和微小纳米粒子的组合使这些材料成为现实。这些材料中的分子非常擅长吸收阳光并向纳米粒子提供电子。然后纳米颗粒移动电子并催化产生燃料的反应。然而，这个过程并不总是像研究人员希望的那样有效。现在，科学家们已经找到了一种方法来跟踪电子从分子到纳米粒子的往返过程。研究人员可以测量电子可以轻松行进的位置，以及它们是否、何时、何时以及为什么会被卡住。这些信息对于为创新材料寻找更好的组合至关重要。

这项发表在《物理化学快报》杂志上的研究展示了一种新的实验工具，它可以跟踪电子在分子和纳米粒子之间移动，从而将阳光转化为电能或燃料。事实证明，一种非常常见的纳米粒子材料，氧化锌，首先使电子停滞一段时间。然后，该材料让电子仅沿着纳米粒子的表面移动。这使得电荷很可能会丢失或损坏纳米颗粒材料。理想情况下，电荷应该不间断地直接穿过纳米颗粒。揭示这些电子旅行瓶颈的能力将有助于研究人员设计更好的材料，将阳光转化为其他形式的能量。

要将阳光转化为电能或燃料，材料必须吸收光并将光能导向电子。接下来，电子必须四处移动以形成电流或进行化学反应。实现这两个步骤的一种方法是使用非常擅长捕捉阳光的分子，并将它们附着在非常擅长移动电子的基板上。研究人员以前知道，电子可以比在许多其他材料中更容易在氧化锌材料内部移动。尽管如此，由氧化锌制成的电极不会像由其他材料制成的电极那样工作。到底是怎么回事?

在能源部 (DOE) 科学办公室用户设施的高级光源中使用一种称为时间分辨 X 射线光电子能谱的技术，研究人员现在能够追踪电子从分子到基板并返回的路径. 他们发现电子在分子和氧化锌之间停留了很长时间。当电子最终跳跃时，材料会不断将它们推向基板表面。在那里，电子比直接穿过基板块更容易被捕获。这项研究有助于解释为什么锌氧化物基材的效果不如预期。它还为未来的材料提供了新的测试方案。

标签：