Uma equipe de pesquisa composta por membros do Instituto Egípcio de Pesquisa de Petróleo e do Laboratório de Engenharia de Materiais Funcionais da Universidade de Tecnologia de Toyohashi desenvolveu um novo fotoeletrodo de alto desempenho construindo um conjunto de nanopagodes de óxido de zinco com um formato único em um eletrodo transparente e aplicando nanopartículas de prata à sua superfície.



O nanopagode de óxido de zinco é caracterizado por possuir muitas estruturas escalonadas, pois compreende pilhas de prismas hexagonais de tamanhos diferentes. Além disso, apresenta poucos defeitos cristalinos e excelente condutividade eletrônica. Ao decorar sua superfície com nanopartículas de prata, o fotoeletrodo de matriz de nanopagode de óxido de zinco ganha propriedades de absorção de luz visível, permitindo-lhe funcionar sob a irradiação solar.

Espera-se que a divisão fotoeletroquímica da água usando a luz solar seja usada como uma tecnologia para produzir energia limpa na forma de hidrogênio. Como materiais-chave para esta tecnologia, os fotoeletrodos devem ter baixo potencial contra reações de divisão de água, além de alta absorção solar e eficiência de transferência de carga.

Para aplicabilidade prática, esta tecnologia não pode utilizar metais raros como materiais primários, e o processo de fabricação deve ser industrializado; no entanto, ainda não foram desenvolvidos materiais que satisfaçam estes requisitos.

Conseqüentemente, a equipe de pesquisa concentrou-se exclusivamente na matriz de nanopagodes de óxido de zinco, uma vez que tais matrizes são baratas de produzir, apresentam alta condutividade eletrônica e não são vulneráveis ​​ao esgotamento da matéria-prima. Inicialmente, os arranjos de nanopagodes de óxido de zinco foram considerados difíceis de fabricar e com boa reprodutibilidade.

Liderado por Marwa Abouelela – uma estudante de doutorado do terceiro ano que também é a principal autora do artigo publicado na Electrochemistry Communications —a equipe primeiro otimizou o processo de síntese para garantir alta reprodutibilidade. Quando as propriedades fotoeletroquímicas do fotoeletrodo obtido foram avaliadas, observou-se que uma fotocorrente relativamente grande emergia sob irradiação de pseudo-luz solar.

Além da alta eficiência de transferência de carga associada à baixa densidade de defeitos e alta atividade de reação química superficial em muitas etapas, uma análise do campo eletromagnético revelou que a nanoestrutura única do nanopagode pode capturar com eficiência os raios ultravioleta contidos na luz incidente.

Para garantir a utilização eficaz da luz visível, que representa 55% da luz solar, a equipe de pesquisa melhorou ainda mais as propriedades fotoeletroquímicas decorando a superfície do nanopagode de óxido de zinco com nanopartículas de prata que exibem ressonância plasmônica de superfície localizada, aumentando a fotocorrente em aproximadamente 1,5 vezes. .

O espectro de ação do valor da fotocorrente indica que esta melhoria é atribuída principalmente à transferência de elétrons quentes causada pela absorção de luz visível pela ressonância plasmônica de superfície localizada das nanopartículas de prata. Ao otimizar a aplicação de nanopartículas de prata, tornou-se possível apenas melhorar as propriedades fotoeletroquímicas, evitando efeitos adversos nas propriedades do próprio nanopagode.

O professor associado Go Kawamura, um dos autores correspondentes, disse:"Os nanopagodes de óxido de zinco foram considerados para aplicação apenas em emissores de canhões de elétrons, utilizando sua alta eficiência de transferência de carga. No entanto, como a estrutura tem muitas etapas, nossa ideia inicial era que fosse altamente ativo contra reações químicas superficiais e pode ser adequado para catalisar reações fotoeletroquímicas."

"Tendo conseguido fabricar o nanopagode, pretendemos melhorar a eficiência da utilização da luz solar aplicando nanopartículas de prata que exibem ressonância plasmônica de superfície localizada e avaliamos o efeito por análise de campo eletromagnético; no entanto, descobriu-se que o nanopagode de óxido de zinco captura a luz incidente , especialmente raios ultravioleta, em seu interior Embora isso tenha sido completamente inesperado, foi uma descoberta feliz, pois esta propriedade contribui para a melhoria das propriedades fotoeletroquímicas."

Perspectivas futuras

Atualmente, Marwa e alunos do mesmo laboratório estão conduzindo uma investigação sobre o efeito do controle estrutural preciso dos nanopagodes de óxido de zinco, bem como da decoração de superfície com outros materiais, nas propriedades fotoeletroquímicas dos referidos pagodes. Como o óxido de zinco é propenso à fotocorrosão, ele não consegue suportar a irradiação solar de longo prazo por si só, o que nos leva a focar na melhoria da durabilidade por meio da decoração de superfície.

Ao alcançar altas propriedades fotoeletroquímicas e durabilidade, a equipe planeja realizar a produção de hidrogênio através da divisão da água em um ambiente real (decomposição da água do rio ou do mar pela luz solar).

Mais informações: Marwa Mohamed Abouelela et al, Ag nanopartículas decoradas com nanopagodes de ZnO para aplicação fotoeletroquímica, Eletroquímica Communications (2023). DOI:10.1016/j.elecom.2023.107645
Informações do diário: Comunicações Eletroquímicas

Fornecido pela Universidade de Tecnologia de Toyohashi