Gas de hidrogeno, una importante materia prima sintética, está preparado para desempeñar un papel clave en la tecnología de energía renovable; sin embargo, sus credenciales se ven socavadas porque la mayoría proviene actualmente de combustibles fósiles, como el gas natural. Un equipo de KAUST ha encontrado una ruta más sostenible para la producción de combustible de hidrógeno utilizando caótica, Materiales que atrapan la luz que imitan la división fotosintética natural del agua.

Las enzimas complejas dentro de las plantas no son prácticas de fabricar, por lo que los investigadores han desarrollado fotocatalizadores que emplean alta energía, electrones calientes para escindir las moléculas de agua en hidrógeno y oxígeno gaseoso. Recientemente, metales nanoestructurados que convierten los electrones solares en intensos, Las resonancias de plasmones en forma de onda han atraído el interés de la producción de hidrógeno. Los plasmones metálicos de alta velocidad ayudan a transferir los portadores a los sitios catalíticos antes de que se relajen y reduzcan la eficiencia catalítica.

Lograr que las nanopartículas metálicas respondan a todo el espectro de banda ancha de luz visible es un desafío. "Los sistemas plasmónicos tienen geometrías específicas que atrapan la luz solo en frecuencias características, "explica Andrea Fratalocchi, quien dirigió la investigación. "Algunos enfoques intentan combinar múltiples nanoestructuras para absorber más colores, pero estas absorciones tienen lugar en diferentes ubicaciones espaciales, por lo que la energía del sol no se recolecta de manera muy eficiente ".

Fratalocchi y su equipo idearon una nueva estrategia utilizando nanoestructuras metálicas conocidas como metamateriales épsilon-near-zero (ENZ) que crecen al azar, agujas fractales similares a un pequeño pino. Dentro de las cavidades formadas por las ramas metálicas que sobresalen, la propagación de la luz se ralentiza hasta casi detenerse. Esto permite que la sustancia ENZ exprima todos los colores de luz visible en las mismas ubicaciones de escala nanométrica.

Sin embargo, La optimización del material ENZ para la generación de hidrógeno resultó ser un proceso prolongado de meses. No todas las estructuras en forma de aguja funcionan de la misma manera, lo que significó que el equipo tuvo que ajustar todos los parámetros de fabricación para encontrar el desorden correcto para reacciones eficientes. Luego, La elección de dióxido de titanio semiconductor como sustrato para recoger electrones calientes requirió cristales con una pureza extremadamente alta. Finalmente, la concentración y la posición de las nanopartículas de platino utilizadas para dividir catalíticamente las moléculas de agua debían controlarse con precisión, deposiciones que son difíciles con la compleja geometría de ENZ.

El resultado valió la pena la perseverancia:los experimentos revelaron que el fotocatalizador ENZ usaba luz de banda ancha para generar portadores calientes dentro de una región interfacial estrecha de 10 nm para una ganancia general del 300% en eficiencia.

"Debido a la posibilidad de controlar su absorción, las nanoestructuras ENZ son candidatas ideales para la captación de energía solar, ", dice Fratalocchi." Recientemente diseñamos un prototipo industrial con una eficiencia impresionante, lo que nos hace muy optimistas sobre las posibilidades futuras de esta tecnología ".