(Phys.org) - Uma técnica única de engenharia em escala atômica para transformar nanopartículas "brancas" fotocatalíticas de baixa eficiência de dióxido de titânio em nanopartículas "pretas" de alta eficiência pode ser a chave para tecnologias de energia limpa baseadas em hidrogênio.

Samuel Mao, um cientista que possui nomeações conjuntas com a Divisão de Tecnologias de Energia Ambiental do Berkeley Lab e da Universidade da Califórnia em Berkeley, lidera o desenvolvimento de uma técnica para desordem de engenharia na estrutura nanocristalina do dióxido de titânio semicondutor. Isso transforma os cristais naturalmente brancos na cor preta, um sinal de que os cristais agora são capazes de absorver luz infravermelha, visível e ultravioleta. O espectro de absorção expandido melhora substancialmente a eficiência com a qual o dióxido de titânio preto pode usar a luz solar para dividir as moléculas de água para a produção de hidrogênio.

"Demonstramos que as nanopartículas de dióxido de titânio preto são capazes de gerar hidrogênio por meio de reações fotocatalíticas acionadas pelo sol com uma eficiência recorde, "Mao disse em uma palestra no encontro nacional da American Chemical Society (ACS) em Nova Orleans.

"A síntese de nanopartículas de dióxido de titânio preto foi baseada em um processo de hidrogenação em que nanocristais de dióxido de titânio branco foram submetidos a gás hidrogênio de alta pressão, "disse Mao." A estrutura desordenada única cria um fotocatalisador que é durável e eficiente, e dá dióxido de titânio, um dos mais estudados de todos os materiais de óxido, um potencial renovado. "

A promessa do hidrogênio em baterias ou combustíveis é uma fonte de energia limpa e renovável que não exacerba a mudança climática global. O desafio é produzi-lo em massa de maneira econômica. Apesar de ser o elemento mais abundante do universo, o hidrogênio puro é escasso na Terra porque o hidrogênio se combina com praticamente qualquer outro tipo de átomo. Usar a energia solar para dividir a molécula de água em hidrogênio e oxigênio é a maneira ideal de produzir hidrogênio puro. Esse, Contudo, requer um fotocatalisador eficiente que a água não corrói. O dióxido de titânio pode resistir à água, mas até o trabalho de Mao e seu grupo só era capaz de absorver luz ultravioleta, que responde por apenas dez por cento da energia da luz solar.

Em sua palestra ACS, intitulado "Engenharia de desordem:Tornando as nanopartículas de dióxido de titânio pretas, "Mao descreveu como desenvolveu o conceito de" engenharia de desordem, "e como a introdução de distúrbios hidrogenados cria estados de energia de lacuna intermediária acima do máximo da banda de valência para aumentar a mobilidade do hidrogênio. Seus estudos não apenas produziram um novo fotocatalisador promissor para a geração de hidrogênio, mas também ajudaram a dissipar algumas crenças científicas amplamente difundidas.

"Nossos testes mostraram que um bom fotocatalisador semicondutor não precisa ser um único cristal com defeitos mínimos e níveis de energia logo abaixo da parte inferior da banda de condução, "Mao disse.

Os estudos de caracterização da fonte de luz avançada do Berkeley Lab também ajudaram a responder à pergunta de quanto do hidrogênio detectado em seus experimentos vem da reação fotocatalítica, e quanto vem do hidrogênio absorvido no óxido de titânio durante o processo de síntese de hidrogenação.

"Nossas medições indicam que apenas uma pequena quantidade de hidrogênio é absorvida no dióxido de titânio preto, cerca de 0,05 miligramas, em comparação com os 40 miligramas de hidrogênio detectados durante um experimento de produção de hidrogênio movido a energia solar de 100 horas, "Mao disse.