Um material para uso em separação fotoeletroquímica de água que não é apenas mais barato do que as alternativas existentes, mas aumenta a eficiência e a produção do processo. Crédito:ICN2
Pesquisadores do ICN2 liderados pelo ICREA Prof. Jordi Arbiol, em colaboração com o IREC e ICIQ, produziram um material para uso em separação fotoeletroquímica de água que não é apenas mais barato do que as alternativas existentes, mas aumenta a eficiência e a produção do processo. Com base na integração de vários materiais em uma estrutura de nanofios multicamadas, a pesquisa foi capa da edição deste mês Energia e Ciência Ambiental .
A divisão fotoeletroquímica (PEC) da água é um processo pelo qual a luz solar é aproveitada em combinação com materiais semicondutores especializados para induzir a eletrólise e separar o hidrogênio da molécula de água. Com a mudança climática global impulsionando a necessidade de fontes eficientes de energia sustentável, é um tema que tem recebido muita atenção nos últimos anos. Os pesquisadores do ICN2, em colaboração com o Instituto de Pesquisa Energética da Catalunha (IREC) e o Instituto de Pesquisa Química da Catalunha (ICIQ), otimizaram as propriedades do material semicondutor para uma conversão solar em combustível mais eficiente e produtiva.
Especificamente, o material semicondutor é necessário para absorver a energia solar e atuar como um eletrodo no processo de separação da água. Hematita, um semicondutor comum com um estreito bandgap ideal para absorver o espectro solar, é um fotoanodo possível. Como um óxido de ferro (α-Fe 2 O 3 ), a hematita está entre os minerais mais abundantes na superfície da Terra e, portanto, é consideravelmente mais barata do que o ouro e a platina normalmente usados. Contudo, questões relacionadas ao fluxo de carga elétrica (ou seja, transporte de carga pobre, a recombinação de carga superficial e a cinética de transferência de carga lenta) limitaram sua aplicação prática na divisão de água PEC.
Para superar essas limitações, estudos anteriores se concentraram no desenvolvimento de compósitos de hematita, estruturas que incorporam um segundo material que confere propriedades compensatórias ou aumentativas à base de hematita. Vários materiais foram estudados em formulações binárias com a hematita. Jordi Arbiol e sua equipe integraram quatro materiais completos em uma nanoestrutura multicamadas e estudaram sistematicamente o desempenho do PEC do fotoanodo resultante, também lançando luz sobre os mecanismos químicos subjacentes.
No papel, o primeiro autor, PengYi Tang, descreve em detalhes os processos de fabricação pelos quais os quatro materiais abundantes em terra são reunidos em uma nova heteroestrutura de hematita núcleo / casca baseada em nanofios completa com "nanopontos" (veja a ilustração). Um estudo da cinética de transferência de carga nas interfaces do eletrodo também destaca o papel da relação densidade de estado de superfície / densidade doadora na determinação da eficiência de transferência de carga do material para a divisão de água do PEC.
Os fotoanodos compostos quaternários projetados superam as estruturas de última geração existentes, enquanto o trabalho como um todo apresenta um quadro mais completo do comportamento desses fotoanodos integrados.
