Nanocristais estabelecem novo recorde de atividade de produção de hidrogênio sob irradiação visível e infravermelha próxima
Au e Cu7 S4 exibem ressonância plasmônica de superfície localizada que pode coletar fótons da região visível até a região NIR. Crédito:Tokyo Tech e Universidade Nacional Yang Ming Chiao Tung A luz solar recebida pela Terra é uma mistura de comprimentos de onda que variam do ultravioleta ao visível e ao infravermelho. Cada comprimento de onda transporta energia inerente que, se aproveitada de forma eficaz, possui um grande potencial para facilitar a produção de hidrogénio solar e diminuir a dependência de fontes de energia não renováveis. No entanto, as tecnologias existentes de produção de hidrogénio solar enfrentam limitações na absorção de luz neste amplo espectro, particularmente não aproveitando o potencial da energia luminosa do infravermelho próximo (NIR) que chega à Terra.
Uma pesquisa recente identificou que tanto Au quanto Cu7 S4 nanoestruturas exibem uma característica óptica distinta conhecida como ressonância plasmônica de superfície localizada (LSPR).
Ele pode ser ajustado com precisão para absorver comprimentos de onda que abrangem o espectro visível ao NIR. Uma equipe de pesquisadores, liderada pelo Professor Associado Tso-Fu Mark Chang e pelo Professor Chun-Yi Chen do Instituto de Tecnologia de Tóquio, e pelo Professor Yung-Jung Hsu da Universidade Nacional Yang Ming Chiao Tung, aproveitou essa possibilidade e desenvolveu um inovador Au @ Cu7 S4 nanocristal gema@shell capaz de produzir hidrogênio quando exposto à luz visível e NIR.
Suas descobertas foram publicadas na Nature Communications .
"Percebemos que a produção de hidrogênio de amplo espectro está ganhando impulso nos últimos dias como uma potencial fonte de energia verde. Ao mesmo tempo, vimos que não havia muitas opções atualmente disponíveis para fotocatalisadores que pudessem responder à irradiação NIR, "diz Dr. Hsu e Dr. "Então, decidimos criar uma combinando duas nanoestruturas promissoras, ou seja, Au e Cu7 S4 , com recursos LSPR personalizáveis." Este sistema fotocatalítico de amplo espectro pode abrir caminho para o desenvolvimento de tecnologias de ponta de geração de combustível solar. Crédito:Tokyo Tech A equipe de pesquisa utilizou uma reação de troca iônica para a síntese de Au@Cu7 S4 nanocristais, que foram posteriormente analisados por microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução, espectroscopia de absorção de raios X e espectroscopia de absorção transitória para investigar as propriedades estruturais e ópticas.
Estas investigações confirmaram que Au@Cu7 S4 apresenta uma nanoestrutura gema@casca dotada de propriedades ópticas plasmônicas duplas. Além disso, dados de espectroscopia ultrarrápida revelaram que Au@Cu7 S4 manteve estados de separação de carga de longa duração quando exposto à luz visível e NIR, destacando seu potencial para conversão eficiente de energia solar.
A equipe de pesquisa descobriu que as nanoestruturas gema@casca inerentes ao Au@Cu7 S4 os nanocristais melhoraram notavelmente suas capacidades fotocatalíticas.
"O espaço confinado dentro da casca oca melhorou a cinética de difusão molecular, aumentando assim as interações entre as espécies reativas. Além disso, a mobilidade das partículas de gema desempenhou um papel crucial no estabelecimento de um ambiente de reação homogêneo, pois foram capazes de agitar a solução de reação de forma eficaz ”, explica o Dr. Estados de separação de carga de longa duração facilitam H2 Produção. Crédito:Tokyo Tech e Universidade Nacional Yang Ming Chiao Tung Consequentemente, este fotocatalisador inovador atingiu um rendimento quântico máximo de 9,4% na faixa visível (500 nm) e alcançou um rendimento quântico recorde de 7,3% na faixa NIR (2200 nm) para a produção de hidrogénio. Distintamente, ao contrário dos sistemas fotocatalíticos convencionais, esta nova abordagem elimina a necessidade de co-catalisadores para melhorar as reações de produção de hidrogênio.
No geral, o estudo apresenta uma plataforma fotocatalítica sustentável para geração de combustível solar que possui notáveis capacidades de produção de hidrogênio e sensibilidade a um amplo espectro de luz. Ele mostra o potencial de aproveitar as propriedades LSPR de Au e Cu7 S4 para a captura eficaz de energia NIR anteriormente inexplorada.
"Estamos otimistas de que nossas descobertas motivarão futuras investigações para ajustar as propriedades LSPR de semicondutores autodopados e não estequiométricos, com o objetivo de criar fotocatalisadores responsivos em um amplo espectro para uma variedade de aplicações movidas a energia solar", concluem o Dr. Chang.
Mais informações: Chun-Wen Tsao et al, Nanocristais dual-plasmônicos Au@Cu7S4 gema@shell para produção fotocatalítica de hidrogênio na região espectral do visível ao infravermelho próximo, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-023-44664-3 Informações do diário: Comunicações da Natureza
