Abundante na Terra, metais baratos são materiais promissores para eletrodos fotocatalíticos na fotossíntese artificial. Uma equipe de cientistas chineses agora relata que uma fina camada de titânia sob os nanobastões de hematita pode aumentar o desempenho do fotoanodo. Conforme descrito em seu relatório no jornal Angewandte Chemie , o eletrodo nanoestruturado se beneficia de dois efeitos separados. Este projeto que combina nanoestrutura com dopagem química pode ser exemplar para sistemas fotocatalíticos "verdes" melhorados.

Com a ajuda de um catalisador, a luz solar pode conduzir a oxidação da água a oxigênio e a liberação de elétrons para a geração de corrente, um processo também chamado de fotossíntese artificial. O óxido de ferro na forma de hematita é um candidato a catalisador conveniente e barato, mas os elétrons liberados pela reação química tendem a ficar presos novamente e se perder; o fluxo de eletricidade é ineficiente. Como solução, Jinlong Gong da Universidade de Tianjin, China, introduziu uma camada de passivação de titânia com espessura de nanômetro. Isso não apenas evita a recombinação de carga entre a estrutura do eletrodo de hematita e o substrato, mas também fornece ao óxido de ferro uma fonte de dopagem considerável para aumentar sua densidade de portador de carga, um efeito altamente promissor para aplicações fotoelétricas.

A hematita pode ser um material abundante (minério de ferro), mas apesar de suas vantagens fotocatalíticas, como fotoestabilidade e boas pré-condições energéticas, os cientistas ainda lutam com sua cinética lenta e baixa condutividade elétrica. A hematita nanoestruturada pode ser uma solução. Os fotocatalisadores de hematita são cultivados em substratos de vidro condutores em matrizes de nanobastões, que são ainda fornecidos com ramificações para obter uma espessa, forma dendrítica. Esta estrutura de nanobastão ramificada aumenta muito a superfície para promover a reação de oxidação da água, mas o problema de recombinação de carga, especialmente na interface hematita-substrato, não está resolvido.

Portanto, Gong e seus colegas cultivaram nanobastões de hematita dendrítica em uma camada intermediária de dióxido de titânio, que por si só é um material fotoativo. Se suficientemente fino, a estrutura revestida pode evitar a recombinação de carga e fornecer condutividade, mas essa não era a única intenção dos cientistas. "A intercamada de dióxido de titânio foi considerada uma fonte de cátions de titânio para dopar a hematita, ", argumentaram. O doping aqui significa aumentar a densidade do portador de carga no fotocatalisador, trazendo mais centros positivos e aumentando a condutividade elétrica.

Ambos os efeitos, passivação e doping, na verdade, produziu uma fotocorrente mais de quatro vezes maior em condições padronizadas. A adição de um co-catalisador de hidróxido de ferro empurrou a densidade da fotocorrente ainda mais para um valor mais de cinco vezes acima do sistema não dopado. Este projeto combina materiais baratos, algumas etapas de preparação, e o desempenho elétrico aprimorado pode ser exemplar para sistemas aprimorados em fotossíntese artificial verde.