A divisão da água com a energia solar pode fornecer uma rota eficiente para conversão e armazenamento de energia renovável em grande escala. Cientistas de TU Delft e AMOLF desenvolveram um fotoeletrodo muito eficiente e estável, um material que absorve luz e divide diretamente a água em hidrogênio e oxigênio. Além disso, eles usam bolachas de silício como material de absorção de luz, então o sistema também é barato. Eles relatam suas descobertas em Nature Communications na quinta feira, 29 de junho.

Conversão de energia

A divisão fotoeletroquímica (PEC) da água (em hidrogênio e oxigênio) é vista como uma abordagem sustentável para produzir combustível limpo e renovável pela conversão direta de energia solar em química. O hidrogênio poderia, por exemplo, ser usado diretamente em células de combustível ou combinado com outras moléculas para criar produtos químicos sustentáveis.

'Junto com colegas da AMOLF (Amsterdã), nós projetamos um fotoeletrodo, um material que absorve luz e divide a água diretamente, que tem uma eficiência muito alta e mais de 200 horas de estabilidade ', diz Wilson Smith, Professor Associado do Departamento de Engenharia Química da TU Delft. 'Isso é notável em um campo onde as pessoas normalmente mostram apenas algumas horas de estabilidade. Usamos bolachas de silício como material de absorção de luz, portanto, o fotoeletrodo também é muito barato. '

'Então, Em suma, agora temos um material de baixo custo, absorve muita luz, tem uma alta eficiência catalítica, e é notavelmente estável '.

MIS

É essencial para um sistema PEC fornecer uma fotocorrente e fotovoltagem suficientemente altas para conduzir a reação de oxidação da água. Normalmente, há um equilíbrio entre a eficiência catalítica deste sistema e sua estabilidade a longo prazo. Resolver um problema geralmente torna o outro pior. 'Aqui, abordamos de forma independente os gargalos de estabilidade e catálise na divisão fotoeletroquímica da água, e os combinou em um sistema simples. Usamos uma camada isolante recém-projetada para estabilizar o fotoeletrodo semicondutor (Si), enquanto também usa dois metais para aumentar a fotovoltagem e dividir a água com alta eficiência. Esta abordagem, conhecido como fazer uma junção metal-isolador-semicondutor (MIS), provou ser eficiente anteriormente, mas nunca tão durável ', Smith explica.

Durabilidade

'Apesar da grande vantagem da estrutura MIS para separação solar de água, permanece uma grande compensação entre a alta eficiência e a durabilidade de longo prazo ', disse Smith. Portanto, muitos esforços se concentraram na proteção dos fotoeletrodos. O níquel (Ni) é um metal atraente que possui todas as funcionalidades necessárias para fotoanodos MIS:uma função de alto trabalho para geração de alta fotovoltagem, um catalisador ativo para a oxidação da água, e alta estabilidade química em solução fortemente alcalina. Ni absorve luz, que pode limitar o desempenho do fotoeletrodo, portanto, deve ser muito fino (2 nm). Contudo, tal camada fina de Ni não é capaz de proteger completamente o fotoanodo subjacente em um eletrólito altamente corrosivo em pH 14.

Simples

Os pesquisadores desenvolveram agora um fotoanodo MIS que pode render uma alta eficiência e alta estabilidade por meio da engenharia das interfaces metal-isolante e isolador-semicondutor. Especificamente, eles introduziram uma camada de Al2O3 e dois metais, Pt e Ni. Usando esta estratégia de proteção simples, mas eficaz, eles obtêm mais de 200 horas de operação de um fotoanodo MIS que mostra altas fotocorrentes constantes em uma solução básica forte. Assim, a abordagem usada neste estudo pode ser potencialmente integrada à tecnologia fotovoltaica existente, tornando-o promissor para aplicações futuras.

Para realizar com sucesso a divisão espontânea da água, o fotoanodo deve ser combinado com fotoeletrodos de intervalo de banda maior em uma série ou arranjo em tandem. Isso simplificaria o projeto de um dispositivo fotoeletroquímico altamente eficiente para separação solar de água.