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A chave para colher eficientemente a energia da luz solar pode ser encontrar as combinações certas de materiais de captura de luz. Pesquisadores da KAUST descobriram que uma forma de óxido de ferro é um excelente cocatalisador para um promissor material fotocatalítico chamado nitreto de gálio.
Encontrar fotocatalisadores que podem usar a luz solar de forma eficiente para produzir combustível de hidrogênio limpo a partir da água é uma das aplicações mais procuradas da energia solar. "Os nitretos podem absorver a maior parte da energia do espectro solar, mas o nitreto de gálio é um fotocatalisador de divisão de água defeituoso, "diz Martin Velazquez-Rizo, um Ph.D. estudante nos laboratórios de Kazuhiro Ohkawa, que liderou a pesquisa atual.
"Quando GaN é usado como fotocatalisador, o material é rapidamente danificado por fotocorrosão, o que impede sua implementação em aplicações industriais, "Velazquez-Rizo diz. Danos de fotocorrosão eram visíveis após apenas duas horas de produção de hidrogênio fotoeletroquímico, a equipe mostrou.
Para testar a possibilidade de estender a vida útil do fotocatalisador de nitreto de gálio, os pesquisadores tentaram combiná-lo com um óxido de ferro. "Fe 2 O 3 é um material bem conhecido na área de catálise por suas propriedades ópticas e eletrônicas e por sua capacidade de operar em ambientes agressivos, "diz Velazquez-Rizo." Nós antecipamos isso, sob as condições certas, Fe 2 O 3 poderia suprimir a fotocorrosão de fotocatalisadores GaN sem diminuir suas capacidades de fotoabsorção. "
A estratégia provou ser eficaz. Quando a equipe decorou a superfície de GaN com uma cobertura de 1,3 por cento de Fe 2 O 3 partículas, os primeiros sinais de fotocorrosão foram mais de 20 vezes mais lentos para aparecer. Além disso, a taxa de produção de hidrogênio do Fe 2 O 3 / O fotocatalisador GaN foi cinco vezes maior do que o GaN sozinho. Os resultados, diz Velazquez-Rizo, "leve os fotocatalisadores de GaN um passo mais perto de serem implementados em aplicações da vida real."
Parte da razão Fe 2 O 3 e GaN têm um bom desempenho em conjunto é provavelmente devido à maneira incomum em que o Fe 2 O 3 as partículas estão dispostas na superfície de GaN. Os átomos nas partículas de óxido de ferro se alinham perfeitamente com os átomos na rede GaN abaixo, um efeito conhecido como crescimento epitaxial. Este efeito raramente é observado ao combinar materiais com diferentes propriedades cristalográficas, como Fe 2 O 3 e GaN.
"O trabalho de Martin mostrou que esses diferentes sistemas de materiais podem ter um alinhamento de cristal coerente, sem defeitos de cristal, "Ohkawa diz." Os dispositivos fotoeletrodos de hoje são feitos de semicondutores de nitreto ou de óxidos, mas seu resultado indica que, combinando os dois, é possível fabricar novos dispositivos. ”A equipe está continuando a desenvolver novos materiais compostos baseados em GaN para melhorar a eficiência de conversão de energia de fotocatalisadores.
