p (Phys.org) —No despertar das notícias preocupantes de que o dióxido de carbono atmosférico está agora em seu nível mais alto em pelo menos três milhões de anos, um avanço importante na corrida para desenvolver fontes de energia renováveis ​​neutras em carbono foi alcançado. Cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Laboratório de Berkeley) do Departamento de Energia dos EUA (DOE) relataram o primeiro nanossistema totalmente integrado para fotossíntese artificial. Embora "folha artificial" seja o termo popular para esse sistema, a chave para esse sucesso foi uma "floresta artificial". p "Semelhante aos cloroplastos em plantas verdes que realizam a fotossíntese, nosso sistema fotossintético artificial é composto por dois absorvedores de luz semicondutores, uma camada interfacial para transporte de carga, e cocatalisadores separados espacialmente, "diz Peidong Yang, um químico da Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab, quem liderou esta pesquisa. "Para facilitar a divisão solar da água em nosso sistema, nós sintetizamos heteroestruturas de nanofios semelhantes a árvores, consistindo em troncos de silício e ramos de óxido de titânio. Visualmente, matrizes dessas nanoestruturas se assemelham muito a uma floresta artificial. "

p Yang, que também possui nomeações no Departamento de Química e no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da University of California Berkeley, é o autor correspondente de um artigo que descreve esta pesquisa na revista Nano Letras . O artigo é intitulado "Um Nanosystem Fully Integrated of Semiconductor Nanowires for Direct Solar Water Splitting." Os co-autores são Chong Liu, Jinyao Tang, Hao Ming Chen e Bin Liu.

p As tecnologias solares são as soluções ideais para energia renovável neutra em carbono - há energia suficiente em uma hora de luz solar global para atender a todas as necessidades humanas por um ano. Fotossíntese artificial, em que a energia solar é convertida diretamente em combustíveis químicos, é considerada uma das mais promissoras tecnologias solares. Um grande desafio para a fotossíntese artificial é produzir hidrogênio barato o suficiente para competir com os combustíveis fósseis. Enfrentar esse desafio requer um sistema integrado que possa absorver a luz do sol com eficiência e produzir portadores de carga para conduzir as semi-reações de redução de água e oxidação separadas.

p "Na fotossíntese natural, a energia da luz solar absorvida produz portadores de carga energizados que executam reações químicas em regiões separadas do cloroplasto, "Yang diz." Integramos nossa heteroestrutura em nanoescala de nanofios em um sistema funcional que imita a integração em cloroplastos e fornece um projeto conceitual para melhores eficiências de conversão de energia solar em combustível no futuro. "

p Quando a luz solar é absorvida por moléculas de pigmento em um cloroplasto, é gerado um elétron energizado que se move de uma molécula para outra através de uma cadeia de transporte até que finalmente conduza a conversão de dióxido de carbono em açúcares de carboidratos. Essa cadeia de transporte de elétrons é chamada de "esquema Z" porque o padrão de movimento lembra a letra Z em seu lado. Yang e seus colegas também usam um esquema Z em seu sistema, mas implantam dois semicondutores abundantes e estáveis ​​na Terra - silício e óxido de titânio - carregados com co-catalisadores e com um contato ôhmico inserido entre eles. O silício foi usado para o fotocátodo gerador de hidrogênio e óxido de titânio para o fotoanodo gerador de oxigênio. A arquitetura em forma de árvore foi usada para maximizar o desempenho do sistema. Como árvores em uma floresta real, as densas matrizes de árvores de nanofios artificiais suprimem a reflexão da luz solar e fornecem mais área de superfície para reações de produção de combustível.

p "Após a iluminação, pares de elétron-buraco fotoexcitados são gerados em silício e óxido de titânio, que absorvem diferentes regiões do espectro solar, "Yang diz." Os elétrons fotogerados nos nanofios de silício migram para a superfície e reduzem os prótons para gerar hidrogênio, enquanto os buracos fotogerados nos nanofios de óxido de titânio oxidam a água para desenvolver moléculas de oxigênio. A maioria dos portadores de carga de ambos os semicondutores se recombina no contato ôhmico, completando a retransmissão do esquema Z, semelhante à da fotossíntese natural. "

p Sob luz solar simulada, esse sistema integrado de fotossíntese artificial baseado em nanofios alcançou uma eficiência de conversão de energia solar em combustível de 0,12%. Embora comparável a algumas eficiências de conversão fotossintética natural, esta taxa terá de ser substancialmente melhorada para uso comercial. Contudo, o design modular deste sistema permite que componentes individuais recém-descobertos sejam prontamente incorporados para melhorar seu desempenho. Por exemplo, Yang observa que a saída de fotocorrente dos cátodos de silício e ânodos de óxido de titânio do sistema não correspondem, e que a menor saída de fotocorrente dos ânodos está limitando o desempenho geral do sistema.

p "Temos algumas boas ideias para desenvolver fotoanodos estáveis ​​com melhor desempenho do que o óxido de titânio, "Yang diz." Estamos confiantes de que seremos capazes de substituir os ânodos de óxido de titânio em um futuro próximo e aumentar a eficiência de conversão de energia em porcentagens de um dígito. "