División de agua fotoelectroquímica. El agua se puede dividir para obtener H 2 y O 2 aplicando un voltaje bajo en un circuito como el que se muestra en la figura usando un material fotoanodo apropiado. El h 2 generado se puede utilizar como combustible limpio, lo que significa que la división fotoelectroquímica del agua es una forma de recolectar energía solar. Crédito:Tecnología de Tokio
En consonancia con las crecientes preocupaciones mundiales sobre el estado de nuestro planeta, El perfeccionamiento de la tecnología para la generación de energía alternativa se ha convertido en un tema candente entre los investigadores de todo el mundo. Entre las muchas técnicas que se están investigando para generar energía limpia, la división del agua es muy prometedora. En particular, agua (H 2 O) se puede dividir para obtener dihidrógeno (H 2 ) mediante el uso de energía solar; esto se conoce como separación de agua fotoelectroquímica. El dihidrógeno se puede utilizar como combustible limpio para otras máquinas o para generar electricidad, lo que significa que mejorar nuestras técnicas de división del agua es una forma garantizada de reducir nuestras emisiones de carbono y aliviar el calentamiento global.
¿Cómo funciona la división fotoelectroquímica del agua? En breve, como se muestra en la Fig.1, una forma de hacerlo es utilizar un cierto tipo de material semiconductor, que se llama fotoanodo, y conéctelo a una pequeña fuente de voltaje y un cable de metal, que actúa como cátodo. Cuando se expone a la luz solar, el agua se divide en los átomos que la constituyen en estos dos extremos; los átomos constituyentes se recombinan para formar el H útil 2 y O 2 como subproducto. El paso crucial aquí es encontrar estabilidad, materiales de alto rendimiento para el fotoanodo porque el subpaso de oxidación, que implica la formación de O 2 , es el más difícil.
Desafortunadamente, la mayoría de las investigaciones se han centrado en una clase de fotoanodos llamados oxinitruros, que sufren de inestabilidad y se degradan con relativa rapidez porque son propensos a oxidarse cuando se iluminan con luz. Para abordar este asunto, un equipo de investigadores de Tokyo Tech dirigido por el profesor Kazuhiko Maeda se centró en cambio en otro tipo de material fotoanodo, un oxifluoruro con la fórmula química Pb 2 Ti 2 O 5.4 F 1.2 . Este compuesto no sufre de autooxidación debido a sus propiedades electrónicas.
Rendimiento del fotoanodo propuesto. El compuesto de oxifluoruro Pb 2 Ti 2 O 5.4 F 1.2 parece muy prometedor como fotoanodo después de las modificaciones de superficie apropiadas. El gráfico muestra la corriente generada bajo la luz solar, que se traduce directamente en la generación de H 2 en el cátodo en el otro lado del circuito. Crédito:Tecnología de Tokio
Si bien se ha informado que este oxifluoruro es prometedor para muchas otras aplicaciones, no hubo estudios sobre su desempeño fotoelectroquímico como fotoanodo para la división del agua. El equipo de investigación estudió este compuesto bajo diversas condiciones de iluminación y voltaje aplicado, y encontré que, para usarlo como fotoanodo, es necesario modificar su superficie con otros compuestos. Primero, una capa de óxido de titanio (TiO 2 ) debe depositarse sobre la superficie del oxifluoruro para aumentar la fotocorriente generada por la reacción de separación del agua. Luego, el rendimiento del fotoanodo se puede mejorar en gran medida recubriéndolo con óxidos de cobalto (CoOx), que penetran a través de las grietas en el TiO 2 capa y promover la reacción deseada. "La modificación posterior del fotoanodo con un promotor de oxidación del agua ha demostrado ser indispensable para lograr un rendimiento estable en la mayoría de los casos, "comenta el Prof. Maeda.
Ilustración esquemática de la división del agua fotoelectroquímica en Pb 2 Ti 2 O 5.4 F 1.2 electrodo. Apareció en la revista como resumen gráfico. Crédito:Tecnología de Tokio
Los investigadores realizaron varios experimentos para caracterizar su fotoanodo y su rendimiento para la división del agua en una variedad de condiciones. como bajo diferentes tipos de luz y diferentes valores de voltaje y pH (que es una medida de la acidez del agua). Sus resultados son prometedores (Fig. 2) y muy útiles para orientar a otros investigadores en la dirección correcta. "Hasta aquí, Los oxinitruros y compuestos similares se han considerado materiales prometedores pero difíciles de manipular para los fotoanodos debido a su inestabilidad inherente a la autooxidación. Pb 2 Ti 2 O 5.4 F 1.2 representa un avance muy esperado en este sentido, ", concluye el profesor Maeda. La tecnología de división del agua puede ser crucial para satisfacer nuestras necesidades energéticas sin dañar aún más el medio ambiente, y estudios como este son peldaños esenciales para alcanzar nuestras metas para un futuro más verde.
