p O hidrogênio será necessário em grandes quantidades como portador de energia e matéria-prima no sistema de energia do futuro. Para alcançar isto, Contudo, o hidrogênio deve ser produzido de maneira neutra para o clima, por exemplo, através da chamada fotoeletrólise, usando a luz solar para dividir a água em hidrogênio e oxigênio. Como fotoeletrodos, são necessários materiais semicondutores que convertam a luz solar em eletricidade e permaneçam estáveis ​​na água. Os óxidos de metal estão entre os melhores candidatos para fotoeletrodos estáveis ​​e baratos. Alguns desses óxidos metálicos também têm superfícies cataliticamente ativas que aceleram a formação de hidrogênio no cátodo ou oxigênio no ânodo. p Por que a ferrugem não é muito melhor?

p A pesquisa há muito se concentra na hematita (α-Fe ₂ O ₃ ), que é amplamente conhecido como ferrugem. A hematita é estável na água, extremamente barato e bem adequado como um fotoanodo com uma atividade catalítica demonstrada para a evolução do oxigênio. Embora a pesquisa sobre fotoanodos de hematita já esteja em andamento por cerca de 50 anos, a eficiência de conversão da fotocorrente é inferior a 50% do valor máximo teórico. Por comparação, a eficiência da fotocorrente do silício de material semicondutor, que agora domina quase 90% do mercado fotovoltaico, é cerca de 90% do valor máximo teórico.

p Os cientistas estão intrigados com isso há muito tempo. O que exatamente foi esquecido? Por que apenas aumentos modestos na eficiência foram alcançados?

p Seleção israelense-alemã resolve o quebra-cabeça

p Em um estudo recente publicado em Materiais da Natureza , Contudo, uma equipe liderada pelo Dr. Daniel Grave (Ben Gurion University), O Dr. Dennis Friedrich (HZB) e o Prof. Dr. Avner Rothschild (Technion) explicaram por que a hematita fica tão aquém do valor máximo calculado. O grupo do Technion investigou como o comprimento de onda da luz absorvida em filmes finos de hematita afeta as propriedades fotoeletroquímicas, enquanto a equipe do HZB determinou as propriedades do portador de carga dependente do comprimento de onda em filmes finos de ferrugem com medições de microondas resolvidas no tempo.

p Propriedade física fundamental extraída

p Ao combinar seus resultados, os pesquisadores conseguiram extrair uma propriedade física fundamental do material que geralmente tinha sido negligenciada ao considerar os absorventes solares inorgânicos:o espectro de rendimento da fotogeração. "A grosso modo, isso significa que apenas parte da energia da luz absorvida pela hematita gera portadores de carga móvel, o resto gera estados excitados bastante localizados e, portanto, é perdido, "Grave explica.

p A ferrugem não vai ficar muito melhor

p "Esta nova abordagem fornece uma visão experimental da interação luz-matéria na hematita e permite distinguir seu espectro de absorção óptica em absorção produtiva e absorção não produtiva, "Rothschild explica." Podemos mostrar que o limite superior efetivo para a eficiência de conversão de fotoanodos de hematita é significativamente menor do que o esperado com base na absorção de gap acima, "diz Grave. De acordo com o novo cálculo, os fotoanodos de hematita "campeões" de hoje já chegaram bem perto do máximo teoricamente possível. Portanto, não fica muito melhor do que isso.

p Avaliando novos materiais de fotoeletrodo

p A abordagem também foi aplicada com sucesso ao TiO ₂ , um material modelo, e BiVO ₄ , que é atualmente o material de fotoanodo de óxido de metal com melhor desempenho. "Com esta nova abordagem, adicionamos uma ferramenta poderosa ao nosso arsenal que nos permite identificar o potencial realizável dos materiais fotoeletrodos. A implementação disso em novos materiais irá, com sorte, acelerar a descoberta e o desenvolvimento do fotoeletrodo ideal para a separação solar da água. Isso também nos permitiria 'falhar rapidamente', que é indiscutivelmente tão importante no desenvolvimento de novos materiais absorventes, "diz Friedrich.