Aprimoramento fácil e barato de fotoanodos para oxidação de água. Crédito:Instituto de Tecnologia de Tóquio
Cientistas do Instituto de Tecnologia de Tóquio (Tokyo Tech) demonstram o primeiro sistema fotoeletroquímico de luz visível para separação de água usando TiO 2 reforçada com um material abundante em terra - cobalto. A abordagem proposta é simples e representa um trampolim na busca para alcançar a divisão de água acessível para produzir hidrogênio, uma alternativa limpa ao combustível fóssil.
Divisão fotoeletroquímica da água, o processo pelo qual a energia da luz é usada para dividir as moléculas de água em hidrogênio (H 2 ) e oxigênio (O 2 ), é uma abordagem promissora para obter hidrogênio puro para uso como combustível limpo alternativo. Este processo é realizado em células eletroquímicas que contêm um ânodo e um cátodo submersos em água, que são conectados por meio de um circuito externo.
No ânodo, ocorre oxidação da água, pelo qual O 2 é produzido extraindo energia de ondas de luz. Essas ondas transferem energia para os elétrons do material do ânodo, permitindo que eles se movam através do circuito externo para alcançar o cátodo. Aqui, os elétrons recebidos e o material do cátodo causam H 2 formar.
A data, tem sido difícil encontrar sistemas fotoeletroquímicos que realizem este processo de forma eficiente devido a várias razões. Dióxido de titânio (TiO 2 ), um material de fotoanodo bem conhecido e amplamente utilizado, só pode absorver energia da luz na região ultravioleta; isso é, luz de alta energia. Porque seria preferível aproveitar a energia da luz de comprimento de onda mais longo, TiO 2 pode ser misturado com metais nobres (como ouro ou prata) para sensibilizá-lo à luz visível, mas isso seria caro em aplicativos de grande escala.
Para encontrar uma solução para este problema, uma equipe de pesquisa da Tokyo Tech criou o primeiro fotoanodo de luz visível feito de TiO 2 reforçada com um material abundante em terra - cobalto. Seu estudo foi publicado em Materiais e interfaces aplicados ACS explica o processo surpreendentemente simples de fabricação de fotoanodo; TiO fino 2 os filmes são cultivados em um substrato por meio de um procedimento padrão e, em seguida, o cobalto é introduzido por imersão em uma solução aquosa de nitrato de cobalto. "Este estudo demonstra que uma célula fotoeletroquímica movida a luz visível para a oxidação da água pode ser construída através do uso de metais abundantes em terra sem a necessidade de procedimentos complicados de preparação, "comenta o Prof. Kazuhiko Maeda, quem liderou a pesquisa.
Por meio de vários tipos de análises de espectrometria e microscopia eletrônica de varredura, os pesquisadores identificaram a composição e estrutura específicas da superfície modificada por cobalto do TiO 2 fotoanodo para entender como o cobalto permite que o material absorva a luz visível para mobilizar elétrons e causar a oxidação da água. Acontece que os domínios do cobalto não apenas capturam a luz visível e transferem cargas (elétrons) no TiO 2 interface, mas também servem como sítios catalíticos que facilitam a oxidação da água. Além disso, os pesquisadores descobriram que a estrutura da base de TiO 2 filme fino afeta o desempenho do fotoanodo modificado final, presumivelmente, permitindo uma acomodação melhor ou pior dos átomos de cobalto. A estrutura do TiO 2 o filme pode ser facilmente ajustado ajustando os parâmetros de fabricação, o que permitiu à equipe realizar vários testes para obter uma visão sobre esse fenômeno.
Mais trabalho ainda precisa ser feito, pois será necessário otimizar ainda mais o projeto do fotoanodo para melhorar o processo de transferência de carga que ocorre entre os átomos de cobalto e o TiO 2 substrato para obter maiores taxas de oxidação da água. No entanto, uma grande vantagem do sistema de oxidação de água proposto é que ele não é sacrificial; em outras palavras, os materiais empregados não dependem de oxidantes e / ou redutores ricos em energia (isto é, reagentes de sacrifício). "Até aqui, sistemas de fotooxidação de água sensibilizados com cobalto eram compostos de fotocatálise à base de pó, que funcionam apenas na presença de um aceitador de elétrons sacrificial. Portanto, o presente estudo também demonstra a divisão de água de luz visível sem reagente sacrificial usando um material semicondutor sensibilizado com cobalto (TiO 2 ), "conclui o Prof. Maeda. Esperamos que este estudo sirva como um trampolim para todos aqueles que estão tentando alcançar uma divisão de água acessível para garantir um futuro mais verde.
