Golurile de oxigen din dioxidul de titan albastru prelungesc durata de viață a electronilor excitați
Cercetătorii au descoperit modul în care micile goluri de oxigen din dioxidul de titan albastru acționează ca un „loc de așteptare pentru electroni”, oferind mai mult timp pentru utilizarea energiei obținute din lumină. Rezultatele, publicate în Journal of the American Chemical Society, ar putea contribui la proiectarea unor fotocatalizatori mai eficienți pentru producția de hidrogen cu ajutorul luminii solare, conversia dioxidului de carbon și descompunerea poluanților.
Pentru a produce hidrogen folosind lumina solară, energia obținută din lumină trebuie păstrată până când poate fi utilizată într-o reacție chimică. Dacă un electron care a primit energie din lumină revine rapid la poziția sa inițială, energia respectivă devine greu de folosit. Când lumina lovește materialul, electronii câștigă energie și se deplasează, lăsând în urmă „goluri” – locuri eliberate de electroni. Atât electronii, cât și golurile pot participa la reacții chimice, însă dacă un electron umple din nou golul înainte de a lua parte la o reacție, oportunitatea de a valorifica energia luminoasă se pierde. Acest proces se numește recombinare.
Echipa de cercetare condusă de profesorul Tae Kyu Kim de la Departamentul de Chimie, în colaborare cu echipele profesorului Tae Wu Kim de la Universitatea Kyung Hee, ale profesorului Joonghan Kim de la Universitatea Catolică din Coreea și cu dr. Jae Hyuk Lee de la Laboratorul Acceleratorului Pohang, s-a concentrat asupra dioxidului de titan albastru (TiO₂ albastru), care are o nuanță albăstruie din cauza absenței unor atomi de oxigen. Golurile de oxigen sunt locuri goale apărute atunci când atomii de oxigen lipsesc dintr-un material și pot servi drept situri temporare unde electronii rămân.
Pentru a investiga modul în care golurile de oxigen rețin electronii și întârzie recombinarea, cercetătorii au folosit laserul cu electroni liberi cu raze X de la Laboratorul Acceleratorului Pohang, o instalație de surse de lumină de generația a patra. Sistemul utilizează impulsuri de raze X extrem de scurte pentru a urmări modificările din interiorul materialului după absorbția luminii, similar unei camere ultrarapide care surprinde mișcări instantanee. Echipa a observat schimbările din jurul atomilor de titan la scară femtosecondă, echivalentul unei cvadrilioane de secunde, combinând aceste observații cu analize optice ale modificărilor de absorbție a luminii și cu calcule computaționale.
Rezultatele au arătat că, imediat după absorbția luminii, electronii din dioxidul de titan convențional și din cel albastru își pierd rapid o parte din energie și devin temporar capturați. Diferența apare în etapa următoare. În dioxidul de titan albastru, golurile de oxigen determină electronii să intre într-o stare de captare profundă, mai stabilă, comparabilă cu o bilă care are mai puține șanse să iasă dintr-o adâncitură adâncă decât dintr-o depresiune superficială. Aceasta nu înseamnă că în material se formează o gaură fizică, ci că electronul ocupă o stare energetică din care îi este mai greu să scape. Această stare acționează ca un „loc de așteptare pentru electroni”, întârziind recombinarea cu golurile.
În dioxidul de titan albastru, electronii au trecut în starea de captare profundă în aproximativ 1,5 nanosecunde, o perioadă mult mai scurtă decât o clipire a ochiului. Ulterior, recombinarea electron-gol a avut loc de aproximativ 2,5 ori mai lent decât în dioxidul de titan convențional, ceea ce înseamnă că electronii păstrează mai mult timp energia obținută din lumină, sporind potențialul ca aceasta să fie folosită în reacții chimice.
Profesorul Tae Kyu Kim a declarat că studiul arată că golurile create prin absența atomilor de oxigen nu sunt simple defecte, ci joacă un rol important în ajutarea electronilor să rămână mai mult timp capturați. El a adăugat că descoperirile ar putea contribui la proiectarea unor fotocatalizatori care utilizează mai eficient energia luminoasă prin controlul structurii microscopice a materialelor.
Semnificația studiului constă în conectarea întregului proces, de la captarea electronilor de către golurile de oxigen până la modificările structurii atomice din jur și întârzierea recombinării care rezultă. Descoperirile ar putea fi folosite în viitor pentru a proiecta fotocatalizatori care rețin electronii mai mult timp prin controlul cantității și distribuției golurilor de oxigen. Totuși, pentru îmbunătățirea performanței reale sunt necesare studii ulterioare care să determine dacă electronii capturați mai mult timp pot participa eficient la reacțiile chimice.
