Gás hidrogênio, uma importante matéria-prima sintética, está preparada para desempenhar um papel fundamental na tecnologia de energia renovável; Contudo, suas credenciais são prejudicadas porque a maioria é atualmente proveniente de combustíveis fósseis, como o gás natural. Uma equipe KAUST encontrou agora uma rota mais sustentável para a produção de hidrogênio combustível usando caóticos, materiais que captam a luz que imitam a divisão natural da água fotossintética.

As enzimas complexas dentro das plantas são impraticáveis ​​de fabricar, então os pesquisadores desenvolveram fotocatalisadores que empregam alta energia, elétrons quentes para dividir as moléculas de água em gás hidrogênio e oxigênio. Recentemente, metais nanoestruturados que convertem elétrons solares em intensos, ressonâncias de plasmon em forma de onda têm atraído interesse para a produção de hidrogênio. Os plasmons de metal de alta velocidade ajudam a transferir portadores para sítios catalíticos antes que relaxem e reduzam a eficiência catalítica.

Fazer com que as nanopartículas de metal respondam a todo o espectro de banda larga da luz visível é um desafio. "Os sistemas plasmônicos têm geometrias específicas que capturam a luz apenas em frequências características, "explica Andrea Fratalocchi, quem liderou a pesquisa. "Algumas abordagens tentam combinar várias nanoestruturas para absorver mais cores, mas essas absorções ocorrem em locais espaciais diferentes, de modo que a energia do sol não é colhida de forma muito eficiente. "

Fratalocchi e sua equipe desenvolveram uma nova estratégia usando nanoestruturas de metal conhecidas como metamateriais epsilon-near-zero (ENZ) que crescem aleatoriamente, agulhas fractais semelhantes a um minúsculo pinheiro. Dentro das cavidades formadas pelos ramos metálicos salientes, a propagação da luz fica quase paralisada. Isso permite que a substância ENZ comprima todas as cores de luz visíveis para os mesmos locais em escala nanométrica.

Contudo, otimizar o material ENZ para geração de hidrogênio provou ser um processo demorado de meses. Nem toda estrutura em forma de agulha funciona da mesma maneira, o que significa que a equipe teve que ajustar todos os parâmetros de fabricação para encontrar a desordem correta para reações eficientes. Então, a escolha do dióxido de titânio semicondutor como substrato para coletar elétrons quentes exigia cristais com pureza extremamente alta. Finalmente, a concentração e a posição das nanopartículas de platina usadas para dividir cataliticamente as moléculas de água precisavam ser controladas com precisão, deposições que são difíceis com a geometria complexa de ENZ.

O resultado valeu a pena a perseverança:experimentos revelaram que o fotocatalisador ENZ usava luz de banda larga para gerar portadores quentes dentro de uma região de interface estreita de 10 nm para um ganho geral de 300% em eficiência.

“Pela possibilidade de controlar sua absorção, as nanoestruturas ENZ são candidatas ideais para a captação de energia solar, "diz Fratalocchi." Recentemente, projetamos um protótipo industrial com eficiência impressionante, o que nos deixa muito otimistas quanto às possibilidades futuras dessa tecnologia. "