Tierra-abundante, Los metales baratos son materiales prometedores para electrodos fotocatalíticos en la fotosíntesis artificial. Un equipo de científicos chinos informa ahora que una fina capa de titania debajo de las nanovarillas de hematita puede aumentar el rendimiento del fotoanodo. Como se describe en su informe en la revista Angewandte Chemie , el electrodo nanoestructurado se beneficia de dos efectos separados. Este diseño que combina nanoestructura con dopaje químico puede ser ejemplar para sistemas fotocatalíticos "verdes" mejorados.

Con la ayuda de un catalizador, la luz solar puede impulsar la oxidación del agua en oxígeno y la liberación de electrones para la generación de corriente, un proceso también llamado fotosíntesis artificial. El óxido de hierro en forma de hematita es un candidato catalizador conveniente y económico, pero los electrones liberados por la reacción química tienden a quedar atrapados nuevamente y perderse; el flujo de electricidad es ineficiente. Como solución Jinlong Gong de la Universidad de Tianjin, Porcelana, introdujo una capa de pasivación de titania de un grosor nanométrico. Esto no solo evita la recombinación de carga entre la estructura del electrodo de hematita y el sustrato, pero también proporciona al óxido de hierro una fuente de dopaje considerable para aumentar su densidad de portador de carga, un efecto muy prometedor para aplicaciones fotoeléctricas.

La hematita puede ser un material abundante (mineral de hierro), pero a pesar de sus ventajas fotocatalíticas como la fotoestabilidad y las buenas condiciones energéticas previas, los científicos todavía luchan con su cinética lenta y mala conductividad eléctrica. La hematita nanoestructurada puede ser una solución. Los fotocatalizadores de hematita se cultivan en sustratos de vidrio conductores en matrices de nanovarillas, que además están provistas de ramillas para obtener un tupido, forma dendrítica. Esta estructura de nanobarra ramificada agranda enormemente la superficie para promover la reacción de oxidación del agua, pero el problema de la recombinación de cargas, especialmente en la interfaz hematita-sustrato, no está resuelto.

Por lo tanto, Gong y sus colegas cultivaron nanobarras de hematites dendríticas en una capa intermedia de dióxido de titanio, que en sí mismo es un material fotoactivo. Si es suficientemente delgado, la estructura recubierta puede prevenir la recombinación de carga y proporcionar conductividad, pero esta no era la única intención que tenían los científicos. "Se consideró que la capa intermedia de dióxido de titanio actuaba como una fuente de cationes de titanio para dopar la hematita, ", argumentaron. El dopaje aquí significa aumentar la densidad del portador de carga en el fotocatalizador al traer más centros positivos y aumentar la conductividad eléctrica.

Ambos efectos, pasivación y dopaje, de hecho, produjo una fotocorriente más de cuatro veces mayor en condiciones estandarizadas. La adición de un cocatalizador de hidróxido de hierro empujó la densidad de la fotocorriente aún más a un valor más de cinco veces superior al del sistema sin dopar. Este diseño combinando materiales baratos, pocos pasos de preparación, y el rendimiento eléctrico mejorado puede ser ejemplar para sistemas mejorados en fotosíntesis artificial verde.