Uma visão em nanoescala de um fotocatalisador que é durável e muito eficiente. Esta imagem de microscópio eletrônico de transmissão de alta resolução de um nanocristal de dióxido de titânio após a hidrogenação revela desordem projetada na superfície do cristal, uma mudança que permite ao fotocatalisador absorver luz infravermelha.
(PhysOrg.com) - Um pequeno distúrbio ajuda muito, especialmente quando se trata de aproveitar a energia do sol. Cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos EUA (Laboratório de Berkeley) embaralharam a estrutura atômica da camada superficial de nanocristais de dióxido de titânio, criando um catalisador que é mais duradouro e mais eficiente do que todos os outros materiais no uso da energia do sol para extrair hidrogênio da água.
Seu fotocatalisador, que acelera as reações químicas impulsionadas pela luz, é o primeiro a combinar durabilidade e eficiência recorde, tornando-o um candidato para uso em várias tecnologias de energia limpa.
Poderia oferecer uma maneira livre de poluição de produzir hidrogênio para uso como portador de energia em células de combustível. As células de combustível têm sido vistas como uma alternativa aos motores de combustão em veículos. Hidrogênio molecular, Contudo, existe naturalmente na Terra apenas em concentrações muito baixas. Deve ser extraído de matérias-primas como gás natural ou água, um processo de uso intensivo de energia que é uma das barreiras para a ampla implementação da tecnologia.
“Estamos tentando encontrar maneiras melhores de gerar hidrogênio a partir da água usando a luz do sol, ”Diz Samuel Mao, um cientista da Divisão de Tecnologias de Energia Ambiental do Berkeley Lab que liderou a pesquisa. “Neste trabalho, introduzimos desordem em nanocristais de dióxido de titânio, o que melhora muito sua capacidade de absorção de luz e eficiência na produção de hidrogênio a partir da água. ”
Mao é o autor correspondente de um artigo sobre esta pesquisa que foi publicado online em 20 de janeiro de 2011 em Science Express com o título “Aumentando a absorção solar para fotocatálise com preto, Nanocristais de dióxido de titânio hidrogenado. ”Xiaobo Chen, coautor do artigo com Mao, são pesquisadores do Berkeley Lab, Xiaobo Chen, Lei Liu, e Peter Yu.
Mao e seu grupo de pesquisa começaram com nanocristais de dióxido de titânio, que é um material semicondutor usado como fotocatalisador para acelerar as reações químicas, como aproveitar a energia do sol para fornecer elétrons que dividem a água em oxigênio e hidrogênio. Embora durável, o dióxido de titânio não é um fotocatramatizador muito eficiente. Os cientistas trabalharam para aumentar sua eficiência adicionando impurezas e fazendo outras modificações.
Os cientistas do Berkeley Lab tentaram uma nova abordagem. Além de adicionar impurezas, eles criaram a desordem na estrutura normalmente perfeita, átomo por átomo, da camada superficial dos nanocristais de dióxido de titânio. Esse distúrbio foi introduzido por hidrogenação.
O resultado é o primeiro nanocristal com engenharia de desordem. Uma transformação era óbvia:os nanocristais de dióxido de titânio geralmente brancos tornaram-se pretos, um sinal de que a desordem projetada produziu absorção infravermelha.
Os cientistas também presumiram que a desordem aumentou o desempenho do fotocatalisador. Para descobrir se seu palpite estava correto, eles imergiram nanocristais projetados por engenharia desordenada em água e os expuseram à luz solar simulada. Eles descobriram que 24 por cento da luz solar absorvida pelo fotocatalisador foi convertida em hidrogênio, uma taxa de produção que é cerca de 100 vezes maior do que o rendimento da maioria dos fotocatalisadores semicondutores.
Além disso, seu fotocatalisador não mostrou quaisquer sinais de degradação durante um período de teste de 22 dias, o que significa que é potencialmente durável o suficiente para uso no mundo real.
O cientista do Berkeley Lab, Samuel Mao, lidera uma equipe de pesquisa que está procurando maneiras sustentáveis de gerar hidrogênio para uso em tecnologias de energia limpa. Em um desenvolvimento pioneiro, eles misturaram a camada superficial de nanocristais de dióxido de titânio, um feito que transformou o material do branco para o preto. Ele também criou um fotocatalisador cuja eficiência supera outros no uso da energia do sol para extrair hidrogênio da água. (Foto de Roy Kaltschmidt, Berkeley Lab Public Affairs)
Sua eficiência histórica decorre em grande parte da capacidade do fotocatalisador de absorver luz infravermelha, tornando-o o primeiro fotocatalisador de dióxido de titânio a absorver luz neste comprimento de onda. Também absorve luz visível e ultravioleta. Em contraste, a maioria dos fotocatalisadores de dióxido de titânio só absorve luz ultravioleta, e aqueles que contêm defeitos podem absorver a luz visível. A luz ultravioleta é responsável por menos de dez por cento da energia solar.
“Quanto mais energia do sol pode ser absorvida por um fotocatalisador, quanto mais elétrons podem ser fornecidos para uma reação química, o que torna o dióxido de titânio preto um material muito atraente, ”Diz Mao, que também é professor adjunto de engenharia na Universidade da Califórnia em Berkeley.
As intrigantes descobertas experimentais da equipe foram elucidadas pelos físicos teóricos Peter Yu e Lei Liu, que explorou como a confusão da rede de átomos na superfície do nanocristal por meio da hidrogenação altera suas propriedades eletrônicas. Seus cálculos revelaram essa desordem, na forma de defeitos de rede e hidrogênio, torna possível que fótons que chegam excitem elétrons, que então pula através de uma lacuna onde nenhum estado de elétron pode existir. Depois de atravessar essa lacuna, os elétrons estão livres para energizar a reação química que divide a água em hidrogênio e oxigênio.
“Ao introduzir um tipo específico de transtorno, estados eletrônicos de mid-gap são criados acompanhados por um gap reduzido, ”Disse Yu, que também é professor da Universidade da Califórnia no Departamento de Física de Berkeley. “Isso permite que a parte infravermelha do espectro solar seja absorvida e contribua para a fotocatálise.”
Esta pesquisa foi apoiada pelo Escritório de Eficiência Energética e Energia Renovável do Departamento de Energia. A imagem de microscopia eletrônica de transmissão usada para estudar os nanocristais em escala atômica foi realizada no National Center for Electron Microscopy, uma instalação de usuário nacional localizada no Berkeley Lab.
