Positieve ladingsdragers stabiliseren onmiddellijk in de belangrijkste katalysator van de belangrijkste zonnestrandstof

In een studie verschijnen in Fysische chemische chemische fysica, Onderzoekers gebruikten kwantumchemische moleculaire dynamica-simulaties om de ultrasnelle vorming van polaronen-ladingdragers te visualiseren gestabiliseerd door roostervervorming-in Natao₃Een belangrijke fotokatalysator voor splitsing van zonnewater.

Uit de studie bleek dat positieve ladingsdragers (hole polaronen) snel en significant (met ongeveer 70 MeV) binnen 50 femtoseconden stabiliseren, een proces dat voornamelijk wordt aangedreven door de verlenging van oxygen-tantalum (O-TA) bindingen. Dit atomistische, realtime begrip toont aan dat gatstabilisatie veel sterker is dan dat van elektronenpolaronen, waardoor cruciale inzichten worden geboden voor het rationeel ontwerpen van zeer efficiënte katalysatoren voor zonnestronden.

Het genereren van waterstofbrandstof met zonlicht en water via fotokatalyse is een wereldwijd belangrijke strategie voor het bereiken van koolstofvrije energieverbruik. Fotokatalysatoren, zoals de archetypische perovskietoxide Natao₃absorberen licht om reactieve ladingsdragers (gaten en elektronen) te creëren die de splitsingsreactie van water aansturen.

Voor een hoge efficiëntie moeten deze dragers hun reactiviteit en levensduur behouden, vaak bereikt door polaronvorming – waar de ladingsdrager structurele vervorming in het kristalrooster induceert om zich te stabiliseren. Het observeren van deze atomistische, ultrasnelle dynamiek, die op de femtoseconde schaal plaatsvindt, is echter een belangrijke experimentele hindernis geweest.

Om deze experimentele beperkingen te overwinnen, gebruikte het onderzoeksteam een ​​computationele benadering met behulp van Born-Optenheimer Molecular Dynamics (BOMD) simulaties in combinatie met een versnelde kwantumchemische methode genaamd Divide-en-Conquer Density-Functional Tight Binding (DC-DFTB).

Deze methodologie zorgde voor het realtime volgen van atomaire dynamiek en bijbehorende veranderingen in elektronische structuur tegelijkertijd binnen een groot, nanoschaalmodel van ongerepte natao₃ met 256 formule -eenheden. Simulaties werden uitgevoerd met een femtosecond tijdsinterval om het volledige polaronvormingsproces te observeren.

Uit de simulaties bleek dat de ladingsdragers slechts zwak zijn gelokaliseerd over ruimtelijke gebieden op nanoschaal, een verdeling toegeschreven aan structurele aandoeningen door thermische fluctuaties. Positieve gat polaronen ondergingen een snelle en significante stabilisatie van ongeveer 70 MeV binnen 50 femtoseconden.

Deze stabilisatie verloopt via een tweestapsmechanisme: het gat lokaliseert eerst naar een regio met incidenteel lange O-TA-bindingen en verlengt vervolgens die bindingen in het ontspanningsproces verder.

In schril contrast bleken negatieve elektronenpolaronen meer gedelokaliseerd te zijn, vertoonden een onbeduidende stabilisatie -energieverandering en hun kleine structurele vervorming werd voornamelijk gedomineerd door thermische fluctuaties.

Dit onderzoek levert cruciale, in de tijd opgeloste mechanistische details over de fundamentele processen voor het gebruik van ladingen in Natao₃het verstrekken van een stevige computationele basis die kwalitatief aansluit bij eerdere in de tijd opgeloste experimentele observaties van gevangen dragers.

De bevinding dat sterk gatstabilisatie-energie wordt gesynchroniseerd met de O-TA-bindingslengteverandering is van vitaal belang voor het engineren van nieuwe materialen.

Deze resultaten versnellen het rationele ontwerp van zeer actieve heterogene fotokatalysatoren door te suggereren dat toekomstige materiaalmodificatie-met name de B-Site-chemie in perovskieten wijzigen-zich zou moeten concentreren op het beheersen van O-TA-binding om de polaron-dynamiek van de gat te optimaliseren voor superieure zonne-brandstofproductie.