Desbloqueio de conversão de energia de luz eficiente com nanofolhas de coordenação estável
p Crédito:Hiroshi Nishihara da Universidade de Ciência de Tóquio
p 'Nanofolhas' bidimensionais feitas de ligações entre átomos de metal e moléculas orgânicas são candidatos atraentes para a conversão fotoelétrica, mas se corroem facilmente. Em um novo estudo, cientistas do Japão e de Taiwan apresentam um novo projeto de nanofolha usando hexatiol de ferro e benzeno que exibe estabilidade recorde à exposição ao ar por 60 dias, sinalizando as aplicações optoeletrônicas comerciais desses materiais 2D no futuro. p Converter luz em eletricidade com eficácia tem sido um dos objetivos persistentes dos cientistas no campo da optoeletrônica. Embora melhorar a eficiência de conversão seja um desafio, vários outros requisitos também precisam ser atendidos. Por exemplo, o material deve conduzir bem a eletricidade, têm um curto tempo de resposta às mudanças na entrada (intensidade da luz), e, mais importante, ser estável sob exposição de longo prazo.
p Recentemente, os cientistas ficaram fascinados com as 'nanofolhas de coordenação' (CONASHs), que são nanomateriais híbridos orgânico-inorgânicos nos quais as moléculas orgânicas estão ligadas a átomos de metal em uma rede 2D. O interesse em CONASHs decorre principalmente de sua capacidade de absorver luz em várias faixas de comprimento de onda e convertê-los em elétrons com maior eficiência do que outros tipos de nanofolhas. Esse feito foi observado em um CONASH compreendendo um átomo de zinco ligado a uma molécula de porfirina-dipirrina. Infelizmente, o CONASH rapidamente se corroeu devido à baixa estabilidade de moléculas orgânicas em eletrólitos líquidos (um meio comumente usado para condução de corrente).
p "O problema da durabilidade precisa ser resolvido para realizar as aplicações práticas dos sistemas de conversão fotoelétricos baseados em CONASH, "diz o Prof. Hiroshi Nishihara da Tokyo University of Science (TUS), Japão, que faz pesquisas sobre o CONASH e vem tentando solucionar o problema de estabilidade do CONASH.
p Agora, em um estudo recente publicado em
Ciência Avançada como resultado de uma pesquisa colaborativa entre o National Institute for Materials Science (NIMS), Japão e TUS, Prof. Nishihara e seus colegas, Dr. Hiroaki Maeda e Dr. Naoya Fukui da TUS, Dr. Ying-Chiao Wang e Dr. Kazuhito Tsukagoshi do NIMS, Sr. Chun-Hao Chiang e Prof. Chun-Wei Chen da National Taiwan University, Taiwan, e Dr. Chi-Ming Chang e Prof. Wen-Bin Jian da National Chiao-Tung University, Taiwan, projetaram um CONASH compreendendo um íon de ferro (Fe) ligado a uma molécula de hexatiol de benzeno (BHT) que demonstrou a maior estabilidade sob exposição ao ar relatada até agora. O novo fotodetector à base de FeBHT CONASH pode reter mais de 94% de sua fotocorrente após 60 dias de exposição! Além disso, o dispositivo não requer fonte de alimentação externa.
p O que tornou tal feito possível? Simplificando, os cientistas fizeram algumas escolhas inteligentes. Em primeiro lugar, eles optaram por uma arquitetura totalmente sólida, substituindo o eletrólito líquido por uma camada de estado sólido de Spiro-OMeTAD, um material conhecido por ser um transportador eficiente de "buracos" (espaços vazios deixados pelos elétrons). Em segundo lugar, eles sintetizaram a rede FeBHT a partir de uma reação entre sulfato de ferro e amônio e BHT, que realizou duas coisas:uma, a reação foi lenta o suficiente para manter o grupo de enxofre protegido de oxidação, e dois, ajudou a rede FeBHT resultante a se tornar resiliente à oxidação, como os cientistas confirmaram usando cálculos da teoria funcional da densidade.
p Além disso, o FeBHT CONASH favorecia alta condutividade elétrica, mostrou uma fotorresposta aprimorada com uma eficiência de conversão de 6% (a maior eficiência relatada anteriormente foi de 2%), e um tempo de resposta <40 milissegundos para iluminação de luz ultravioleta.
p Com esses resultados, os cientistas estão entusiasmados com as perspectivas do CONASH em aplicações optoeletrônicas comercializadas. "O alto desempenho dos fotodetectores baseados em CONASH, juntamente com o fato de serem autoalimentados, podem abrir caminho para suas aplicações práticas, como em sensores de recepção de luz que podem ser usados para aplicações móveis e registro do histórico de exposição à luz de objetos , "diz o Prof. Nishihara com entusiasmo.