A divisão fotoeletroquímica (PEC) da água é uma estratégia potencialmente viável para converter energia solar em hidrogênio verde. No entanto, os actuais sistemas PEC sofrem de uma eficiência de separação de carga relativamente baixa e de uma reacção lenta de oxidação da água, o que os impede de satisfazer as necessidades de aplicações práticas. O principal gargalo é conseguir uma separação espacial de carga eficaz, que é crucial para alcançar uma conversão eficiente de energia solar em hidrogênio.



A engenharia de heterojunção é um dos métodos mais promissores para separação espacial de cargas, mas a eficiência de separação de portadores da heterojunção permanece limitada devido à correspondência de bandas de energia ou à compatibilidade interfacial e estrutural entre diferentes semicondutores. Enquanto isso, a construção da homojunção pn controlando finamente o dopante ou defeito em semicondutores provou ser viável, mas o fenômeno que neutraliza o campo elétrico interfacial através do rápido acúmulo de portadores durante o processo de transferência é amplamente insignificante.

Para esse fim, uma equipe de pesquisadores da Escola de Engenharia Química e Tecnologia da Universidade de Tianjin projetou um n-TiO₂ exclusivo /BaTiO₃ /p-TiO₂ heterojunção que se acopla ao efeito piezoelétrico e às junções pn para superar a separação de carga e a limitação de transferência da junção pn.

"Em nossa heterojunção projetada, o ferroelétrico BaTiO₃ camada está entre n-TiO₂ com vagas de oxigênio e p-TiO₂ com vagas de titânio", compartilha Minhua Ai, principal autor do estudo publicado na revista Green Energy &Environment . "Consequentemente, o TBT3 atinge uma densidade de fotocorrente proeminente que é 2,4 e 1,5 vezes maior que o TiO₂ e TiO₂ –BaTiO₃ heterojunção, respectivamente."

Notavelmente, impulsionado pela deformação mecânica, um campo elétrico polarizado estável formado em BaTiO3 ferroelétrico pode regular ainda mais os campos elétricos incorporados com base em caracterizações abrangentes dos comportamentos dos portadores de carga em tal multi-heterojunção. E n-TiO₂ /BaTiO₃ /p-TiO₂ heterojunção alcança desempenho PEC aprimorado por piezoelétrico (2,84 vezes maior que TiO₂ em 1,23 V vs. RHE).

"Com base no acoplamento com efeito piezoelétrico e junções pn, nosso trabalho fornece uma estratégia de polarização piezoelétrica para modular o campo elétrico integrado da heterojunção para melhorar a separação de carga", acrescenta o autor sênior e correspondente Lun Pan.

Mais informações: Minhua Ai et al, heterojunção n-TiO2/BaTiO3/p-TiO2 aprimorada piezoelétrica para fotoeletrocatálise altamente eficiente, Energia Verde e Meio Ambiente (2023). DOI:10.1016/j.gee.2023.12.001
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