Um grupo de pesquisa liderado pelo Professor Associado Tachikawa Takashi do Centro de Pesquisa em Fotosciência Molecular da Universidade de Kobe teve sucesso no desenvolvimento de uma estratégia que aumenta muito a quantidade de hidrogênio produzida a partir da luz solar e da água usando fotocatalisadores de hematita.

O hidrogênio tem recebido atenção como uma possível solução de energia de próxima geração, e pode ser produzido a partir da luz solar e da água usando fotocatalisadores. Para tornar isso praticável, é necessário desenvolver tecnologias básicas para otimizar o potencial dos fotocatalisadores, além de encontrar novos materiais para catalisadores.

Desta vez, Tachikawa et al. produziu com sucesso um fotoanodo com uma condutividade extremamente alta. Isso foi conseguido unicamente por recozimento de mesocristais de hematita, (superestruturas consistindo em minúsculas nanopartículas de aproximadamente 5 nm) para um substrato de eletrodo transparente. A hematita pode absorver uma ampla gama de luz visível e é segura, estábulo, e barato.

Com este fotoanodo, os elétrons e buracos produzidos pela fonte de luz se separaram rapidamente e, ao mesmo tempo, um grande número de buracos densamente acumulados na superfície das partículas. O acúmulo de furos melhorou a eficiência da reação de oxidação da água; a lenta oxidação da água foi anteriormente um gargalo na divisão da água.

Além de aumentar a alta eficiência do que é considerado o fotoanodo de melhor desempenho do mundo, essa estratégia também será aplicada à fotossíntese artificial e tecnologias de separação solar de água por meio de colaborações entre a universidade e as indústrias.

Esses resultados serão publicados na revista online de química alemã. Angewandte Chemie International Edition no dia 30 de abril. Esse trabalho também foi destaque na contracapa.

Pontos principais:

• Numerosos vazios de oxigênio foram formados dentro dos mesocristais de hematita pelo acúmulo e sinterização de pequenas nanopartículas altamente orientadas de menos de 10 nanômetros.
• A presença de vacâncias de oxigênio melhorou a condutividade do eletrodo fotocatalisador, ao mesmo tempo, dando-lhe um gradiente de potencial de superfície significativo, promovendo assim a separação de elétrons e lacunas.
• Ao mesmo tempo, uma grande quantidade de buracos se moveu para a superfície das partículas, permitindo uma alta taxa de evolução de oxigênio da água. Isso permitiu aos pesquisadores alcançar o desempenho de separação solar de água mais alto do mundo para ânodos de hematita.
• Esta estratégia pode ser aplicada a uma ampla gama de fotocatalisadores, começando com a divisão solar da água.

Com o mundo enfrentando crescentes problemas ambientais e de energia, o hidrogênio ganhou atenção como uma das possíveis fontes de energia da próxima geração. Idealmente, fotocatalisadores podem ser usados ​​para converter água e luz solar em hidrogênio. Contudo, uma taxa de conversão de energia solar de mais de 10% é necessária para permitir que tal sistema seja adotado industrialmente. Utilizando os pontos fortes do Japão na descoberta de novos materiais, é vital estabelecer uma tecnologia de base comum que possa desbloquear o potencial dos fotocatalisadores para atingir esse objetivo.

Anteriormente, Tachikawa et al. desenvolveu 'tecnologia mesocristal', que envolve o alinhamento preciso de nanopartículas em fotocatalisadores para controlar o fluxo de elétrons e seus buracos. Recentemente, eles aplicaram essa tecnologia à hematita (a-Fe ₂ O ₃ ), e conseguiu aumentar drasticamente a taxa de conversão.

Desta vez, eles foram capazes de aumentar a taxa de conversão até 42% de seu limite teórico (16%) sintetizando subunidades de nanopartículas minúsculas na hematita.

Tecnologia mesocristal:

O principal problema que causa um declínio na taxa de conversão nas reações fotocatalíticas é que os elétrons e buracos produzidos pela luz se recombinam antes de poderem reagir com as moléculas (neste caso, água) na superfície. Tachikawa et al. criou superestruturas mesocristais de hematita com nanopartículas altamente orientadas por meio de síntese solvotérmica. Eles foram capazes de desenvolver fotoanodos mesocristais condutores para separação de água, acumulando e sinterizando mesocristais no substrato de eletrodo transparente (Figura 1).

Formação e desempenho do fotocatalisador:

Os fotoanodos mesocristais foram produzidos revestindo o substrato de eletrodo transparente com mesocristais de hematita contendo titânio e, em seguida, recozendo-os a 700 ºC. Um cocatalisador foi depositado na superfície dos mesocristais. Quando os fotocatalisadores foram colocados em uma solução alcalina e iluminados com luz solar artificial, a reação de separação da água ocorreu em uma densidade de fotocorrente de 5,5 mAcm-2 sob uma voltagem aplicada de 1,23 V (Figura 1). Este é o maior desempenho alcançado no mundo para hematita, que é um dos materiais fotocatalisadores mais ideais devido ao seu baixo custo e propriedades de absorção de luz. Além disso, os fotoanodos mesocristais de hematita funcionaram de forma estável durante experimentos repetidos ao longo de 100 horas.

A chave para alcançar uma alta taxa de conversão é o tamanho das nanopartículas que compõem a estrutura mesocristal. É possível aumentar muito a quantidade de vacâncias de oxigênio que se formam durante o processo de sinterização, tornando as nanopartículas tão pequenas quanto 5 nm e aumentando as interfaces de conexão entre as nanopartículas. Isso aumentou a densidade do elétron, e aumentou significativamente a condutividade dos mesocristais (Figura 2).

A alta densidade de elétrons está ligada à formação de uma grande curvatura de banda perto da superfície mesocristal. Isso promove a separação inicial da carga, além de facilitar o acúmulo de orifícios na superfície. Este resultado foi otimizado devido à minúscula estrutura de nanopartículas dos mesocristais, e impulsionou a reação de oxidação da água que tinha sido um gargalo para uma separação eficiente da água (Figura 3).

Este estudo revelou que a tecnologia mesocristal é capaz de minimizar significativamente o problema de recombinação, que é a principal causa de baixa eficiência em fotocatalisadores, e acelerar exponencialmente a reação de divisão da água.

Espera-se que essa estratégia também possa ser aplicada a outros óxidos de metal. Próximo, Os pesquisadores vão colaborar com as indústrias para otimizar os fotoanodos mesocristais de hematita e implementar um sistema industrial para a produção de hidrogênio a partir da luz solar. Ao mesmo tempo, a estratégia desenvolvida por este estudo será aplicada a várias reações, incluindo fotossíntese artificial.