Los científicos de la Universidad Rice y la Universidad de Houston crearon un catalizador a partir de tres elementos:hierro, manganeso y fósforo, y luego lo recubrió uniformemente sobre una matriz de nanobarras de dióxido de titanio para crear un fotoanodo altamente eficiente para la fotosíntesis artificial. Crédito:Grupo de Investigación Whitmire / Universidad Rice
Los científicos de la Universidad de Rice han creado un catalizador de evolución de oxígeno fácil de fabricar que se combina bien con semiconductores para la división del agua solar, la conversión de energía solar en energía química en forma de hidrógeno y oxígeno.
El laboratorio de Kenton Whitmire, un profesor de química de Rice, se asoció con investigadores de la Universidad de Houston y descubrió que el cultivo de una capa de un catalizador activo directamente en la superficie de una matriz de nanovarillas absorbentes de luz producía un material de fotosíntesis artificial que podía dividir el agua en todo el potencial teórico del semiconductor absorbente de luz. con la luz del sol.
Un catalizador de desprendimiento de oxígeno divide el agua en hidrógeno y oxígeno. Encontrar una fuente renovable limpia de combustible de hidrógeno es el foco de una extensa investigación, pero la tecnología aún no se ha comercializado.
El equipo de Rice ideó una forma de combinar tres de los metales más abundantes:hierro, manganeso y fósforo:en un precursor que se puede depositar directamente sobre cualquier sustrato sin dañarlo.
Para demostrar el material, el laboratorio colocó el precursor en su horno de deposición química de vapor (CVD) personalizado y lo usó para recubrir una serie de materiales absorbentes de luz, nanobarras semiconductoras de dióxido de titanio. El material combinado, llamado fotoanodo, mostró una excelente estabilidad mientras alcanzaba una densidad de corriente de 10 miliamperios por centímetro cuadrado, informaron los investigadores.
Una foto muestra una matriz de nanobarras de dióxido de titanio con una capa uniforme de hierro, catalizador de manganeso y fósforo. La combinación desarrollada por científicos de la Universidad Rice y la Universidad de Houston es un fotoanodo altamente eficiente para la fotosíntesis artificial. Crédito:Grupo de Investigación Whitmire / Universidad Rice
Los resultados aparecen en dos nuevos estudios. El primero, sobre la creación de las películas, aparece en Química:una revista europea . El segundo, que detalla la creación de fotoanodos, aparece en ACS Nano .
Whitmire dijo que el catalizador se cultiva a partir de un precursor molecular diseñado para producirlo tras la descomposición, y el proceso es escalable. El laboratorio de Rice combinó hierro, manganeso y fósforo (FeMnP) en una molécula que se convierte en gas cuando se aplica vacío. Cuando este gas encuentra una superficie caliente a través de CVD, se descompone para cubrir una superficie con el catalizador FeMnP.
Los investigadores afirman que su película es "la primera película delgada de fosfuro heterobimetálico" creada a partir de hierro, manganeso y fósforo que comienza como un solo precursor. Las películas resultantes contienen matrices hexagonales estables de átomos que, hasta ahora, solo se había visto a temperaturas superiores a 1, 200 grados centígrados. Las películas de Rice se crearon a 350 grados C en 30 minutos.
"Temperaturas superiores a 1, 200 C destruyen la matriz de semiconductores, ", Dijo Whitmire." Pero estas películas se pueden hacer a bajas temperaturas, permitiéndoles recubrir e interactuar uniformemente con el fotoabsorbedor y crear un electrodo híbrido ".
Los investigadores recubrieron las matrices tridimensionales de nanobarras de dióxido de titanio con la película de aspecto metálico. El material compuesto mostró potencial como semiconductor de gran área de superficie para células fotoelectroquímicas.
El investigador postdoctoral de la Universidad de Rice, Andrew Leitner, prepara un catalizador de evolución de oxígeno. Cuando se aplica uniformemente a un semiconductor, la película cataliza la división del agua solar para la producción de energía y otras aplicaciones. Crédito:Jeff Fitlow / Rice University
Hacer crecer el recubrimiento de metal de transición directamente sobre las nanovarillas permite un contacto máximo entre los dos, Dijo Whitmire. "Ese metálico, La interfaz conductora entre el semiconductor y la superficie catalítica activa es clave para la forma en que funciona este dispositivo. " él dijo.
La película también tiene propiedades ferromagnéticas, en el que los momentos magnéticos de los átomos se alinean en la misma dirección. La película tiene una temperatura de Curie baja, la temperatura a la que deben inducirse las propiedades magnéticas de algunos materiales. Eso podría ser útil para refrigeración magnética, dijeron los investigadores.
Habiendo establecido su técnica, Whitmire dijo que ahora será mucho más fácil investigar catalizadores híbridos para muchas aplicaciones, incluida la producción petroquímica, conversión de energía y refrigeración.
"Parece que cuando llueve, se vierte ", dijo." Pasamos mucho tiempo juntando todo, y ahora, de repente, hay demasiadas cosas que hacer ".
