p O sol é uma fonte abundante de energia renovável, que pode ser capturado e convertido em eletricidade utilizável. Contudo, porque o sol nem sempre brilha, o fornecimento de energia não é contínuo. Precisamos de uma maneira de armazenar a energia do sol para que ela possa ser liberada sob demanda durante os momentos "desligados", como à noite e em condições nubladas. p Uma opção é usar a energia solar para alimentar reações químicas que geram combustíveis. Por exemplo, a energia solar pode ser convertida em hidrogênio - um combustível denso em energia e de queima limpa - por meio da separação da água. Para conduzir essa reação, dois eletrodos feitos de materiais semicondutores que absorvem luz são conectados e submersos na água. A luz do sol atingindo os eletrodos cria uma corrente elétrica que divide a água em seus dois componentes:hidrogênio e oxigênio.

p "Precisamos de baixo custo, amplamente disponível, e semicondutores ecológicos que podem absorver luz em uma faixa de comprimentos de onda e realizar com eficiência a oxidação da água em gás oxigênio, a parte mais desafiadora da reação, "explicou Mingzhao Liu, um cientista da equipe do Grupo de Ciência de Interface e Catálise do Centro de Nanomateriais Funcionais (CFN) do Laboratório Nacional de Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE). "Quando exposto ao oxigênio, semicondutores podem ser facilmente corroídos. "

p Por exemplo, silício, o semicondutor normalmente usado em células solares, corrói rapidamente quando exposto ao oxigênio. O dióxido de titânio mostrou alta estabilidade e condutividade elétrica, mas só absorve luz ultravioleta (UV), que responde por apenas cerca de seis por cento de toda a radiação solar recebida na superfície da Terra. Outro candidato promissor é o vanadato de bismuto. Feito de bismuto, vanádio, e oxigênio (BVO), esta de cor amarela, o material não tóxico tem alta estabilidade e pode absorver tanto a luz ultravioleta quanto a visível. Contudo, é um mau condutor de eletricidade, limitando sua eficiência de conversão solar em hidrogênio.

p Ao longo dos últimos anos, Liu tem liderado um esforço para cultivar BVO de alta qualidade e melhorar seu desempenho para separação solar de água. Como Liu explicou, O BVO é um material complicado porque é feito de dois metais e oxigênio diferentes. Se as proporções de átomos não forem exatamente de um para um, defeitos podem ser introduzidos involuntariamente. Esses defeitos tornam difícil estudar as verdadeiras propriedades do material e descobrir suas limitações inerentes.

p Para criar filmes finos de BVO com alta pureza e estrutura cristalina, Liu tem usado deposição de laser pulsado. Nesta técnica, um laser UV focado aquece um material alvo com a composição elementar desejada dentro de uma câmara de vácuo. Como a energia dos pulsos de laser é muito intensa, átomos na superfície do material alvo vaporizam e condensam em um substrato para formar uma película fina.

p "Assim que tivermos um material cristalino sem defeitos, então podemos perguntar, como podemos melhorá-lo? ”disse Liu.

p Em um estudo publicado no início deste ano, Liu, Colegas CFN, e teóricos da Universidade da Califórnia (UC), Santa Cruz, investigou como a condutividade elétrica do BVO poderia ser melhorada pela adição de pequenas quantidades de outros materiais a ele (um processo conhecido como dopagem) por meio de deposição de laser pulsado. Os cálculos da estrutura eletrônica dos teóricos indicaram que o lítio seria um dopante ideal para testar experimentalmente; o lítio contribuiria facilmente com um elétron para o sistema à temperatura ambiente e seria pequeno o suficiente para caber nos vazios da rede sem afetar significativamente sua estrutura.

p Depois de sintetizar filmes finos BVO dopados com uma quantidade ideal de lítio, a equipe conduziu uma série de estudos de caracterização baseados em elétrons e raios-X no CFN e na Fonte de Luz Síncrotron Nacional II de Brookhaven (NSLS-II). Esses estudos confirmaram a pureza dos filmes e a ausência de distorções reticuladas após dopagem com lítio. Então, a equipe mediu as propriedades de transporte eletrônico e o desempenho fotoeletroquímico do BVO dopado com lítio. De acordo com esses experimentos, A dopagem com lítio aumentou a condutividade do BVO em quase duas ordens de magnitude e sua atividade de oxidação da água em 20 por cento, em comparação com BVO puro.

p "A previsão da teoria e a validação experimental andam de mãos dadas para criar rapidamente novos materiais para conversão de energia, "disse Yuan Ping, professora assistente do Departamento de Química e Bioquímica e pesquisadora principal do Grupo Ping da UC Santa Cruz.

p Em outro estudo recente, Liu e colaboradores da Universidade de Chicago e da Universidade de Wisconsin-Madison investigaram o impacto das vacâncias de oxigênio na estrutura eletrônica e nas propriedades de transporte do BVO em sua orientação mais energeticamente estável. Como Liu explicou, locais na rede onde o oxigênio está faltando são inerentes aos materiais óxidos, mesmo sem doping. Usando métodos computacionais, a equipe criou um modelo estrutural de BVO e validou esse modelo comparando estados eletrônicos computados e experimentais. Seus resultados sugeriram que as lacunas de oxigênio no volume (dentro) do material contribuem para a condutividade, enquanto aqueles na superfície não impedem e podem realmente atrapalhar a condutividade.

p "As vacâncias de oxigênio na superfície agem mais como armadilhas de carga, "disse Liu." Quando as cargas vão lá, eles se tornam localizados e presos. "

p Estudos subsequentes são necessários para entender como as vacâncias de oxigênio na superfície e sua tendência de imobilizar cargas são afetadas quando o BVO está imerso em água e trabalhando em conjunto com um cocatalisador para aumentar a transferência de carga. Os cientistas vão investigar se os óxidos de metal de transição podem funcionar efetivamente como co-catalisadores. Eles também irão explorar como a atividade de divisão da água solar depende de que tipo de átomos (bismuto ou vanádio) terminam a camada superficial.

p "Em ambos os estudos, a estreita colaboração entre experimentalistas e teóricos foi a chave para o nosso sucesso, "disse Liu." Esperamos continuar essas colaborações para expandir ainda mais nossa compreensão do BVO e identificar mecanismos para impulsionar seu desempenho. "