Ilustração de um fotoeletrodo de hematita que consiste em um nano-feixe periódico (vermelho) em uma camada condutora de ITO (azul escuro). A estrutura de nano feixe aumenta a absorção da luz solar na interface hematita / H2O, resultando em uma conversão mais eficiente da luz solar em combustível solar. Crédito:Soo Jin Kim, et al. © 2014 American Chemical Society
(Phys.org) —Como a dependência mundial de combustíveis fósseis causa problemas cada vez maiores, pesquisadores estão investigando os combustíveis solares como fonte alternativa de energia. Para fazer combustíveis solares, a luz solar é convertida em hidrogênio ou outro tipo de energia química. Em comparação com a energia produzida por células solares, que convertem a luz solar diretamente em eletricidade, os combustíveis solares, como o hidrogênio, têm a vantagem de serem mais fáceis de armazenar para uso posterior.
Por causa da enorme quantidade de luz solar que atinge a Terra, a geração de combustível solar tem o potencial de servir de forma limpa, fonte de energia global em escala de terawatt. Mas para que isso aconteça, os fotocatalisadores que aumentam a absorção de luz e a captura de luz devem ser melhorados, tanto em termos de maior desempenho e menor custo.
Em um novo estudo, pesquisadores Soo Jin Kim, et al., no Laboratório Geballe de Materiais Avançados em Stanford, Califórnia, demonstraram que fotocatalisadores feitos de óxido de ferro exibem melhorias de desempenho substanciais quando são padronizados com nanoestruturas. Seu artigo foi publicado em uma edição recente da Nano Letras .
"Acho que o avanço mais significativo é que o trabalho fornecerá diretrizes valiosas para o design de novos, materiais fotocatalisadores nanoestruturados capazes de absorver luz com eficácia e conduzir reações catalíticas, "O professor Mark L. Brongersma em Stanford disse Phys.org . "Esperançosamente, estimulará mais pesquisas sobre gerenciamento de fótons para materiais fotocatalisadores. O uso de gerenciamento de fótons na geração de combustível solar está ficando para trás fortemente no que diz respeito ao desenvolvimento de estratégias de gerenciamento de fótons para células solares. "
Como explicam os pesquisadores, óxido de ferro na fase de hematita (Fe 2 O 3 ) é um semicondutor abundante em terra com uma energia bandgap de 590 nm, que é considerado próximo do ideal para divisão de água e produção de hidrogênio. Porque ele absorve fótons em uma porção relativamente grande do espectro solar, ele supera outros materiais catalisadores que absorvem porções menores do espectro solar.
Apesar dessas vantagens, hematita tem uma fraqueza:não pode absorver fótons perto de sua superfície, o que resulta na recombinação de muitos dos portadores fotoexcitados em vez de participar de reações químicas para produzir hidrogênio. Este problema ocorre devido a uma incompatibilidade entre o comprimento de difusão do transportador muito curto (escala nanométrica) da hematita em comparação com a profundidade de absorção da luz (escala micrométrica perto da superfície). Portanto, embora os fótons estejam presentes, eles não podem ser usados com eficácia.
Pesquisas anteriores tentaram resolver esse problema adicionando nanoestruturas de metal para aumentar a absorção de luz na região próxima à superfície dos fotocatalisadores. Contudo, esta abordagem sofre de perdas ópticas intrínsecas no metal.
No estudo atual, os pesquisadores contornaram esse problema de perda óptica nanopatterning os próprios fotocatalisadores de hematita. As nanoestruturas permitem que o fotocatalisador supere a incompatibilidade prejudicial entre a difusão do portador e as escalas de comprimento de absorção fotônica, e redistribuir os fótons para a região próxima à superfície.
Os benefícios da nanoestruturação vêm do fato de que permite que a luz solar conduza as ressonâncias ópticas na hematita, resultando em um aumento da absorção e dispersão da luz. Ao projetar o tamanho, forma, espaçamento, e ambiente dielétrico das nanoestruturas, os pesquisadores poderiam otimizar e ajustar os comprimentos de onda ressonantes em todo o espectro solar.
Esta estratégia de nanoestruturar um fotocatalisador poderia ser estendida a outros materiais fotocatalisadores. Como as técnicas de nanopadronização continuam a ser usadas com mais frequência em muitas áreas diferentes, é provável que arranjos nanoestruturados possam ser feitos de maneira barata em grandes áreas.
"Próximo, vamos empregar conceitos de metamateriais em nossos materiais fotocatalisadores, "Brongersma disse." Vamos ver aonde isso nos leva! "
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