Un fotocatalizador semiconductor orgánico que mejore significativamente la generación de gas hidrógeno podría conducir a tecnologías de almacenamiento de energía más eficientes.

La combustión de combustibles fósiles está provocando un cambio climático peligroso, impulsando la búsqueda de fuentes de energía renovables más limpias. La energía solar es, con mucho, la fuente de energía renovable más abundante, pero desbloquear su potencial requiere una forma de almacenarlo para su uso posterior.

Un método estándar para almacenar energía solar son los enlaces químicos del hidrógeno molecular utilizando fotocatalizadores de evolución de hidrógeno (HEP). En la actualidad, la mayoría de los HEP están hechos de semiconductores inorgánicos de un solo componente. Estos solo pueden absorber luz en longitudes de onda ultravioleta, lo que limita su capacidad para producir hidrógeno.

Un equipo dirigido por Iain McCulloch del KAUST Solar Center, en asociación con investigadores de Estados Unidos y Reino Unido, ha desarrollado HEP fabricados a partir de dos materiales semiconductores diferentes. Incorporaron estos materiales en nanopartículas orgánicas que se pueden ajustar para absorber más del espectro de luz visible.

"Tradicionalmente, Se han utilizado semiconductores inorgánicos para aplicaciones fotocatalíticas, "dice Jan Kosco, primer autor del estudio. "Sin embargo, estos materiales absorben principalmente la luz ultravioleta, que comprende menos del cinco por ciento del espectro solar. Por lo tanto, su eficiencia es limitada ".

El equipo utilizó por primera vez un método llamado miniemulsión, en el que una solución de los semiconductores orgánicos se emulsiona en agua con la ayuda de un tensioactivo estabilizador. Próximo, calentaron la emulsión para eliminar el disolvente, dejando atrás nanopartículas semiconductoras orgánicas estabilizadas con surfactante.

Variando el tensioactivo, pudieron controlar la estructura de las nanopartículas, transformándolos de una estructura de núcleo-capa a una estructura mixta de donante / aceptor. La estructura combinada les permitió introducir una heterounión entre las capas del polímero donante y el aceptor no completo.

"Ambas estructuras absorben la luz al mismo ritmo, "explica Kosco, "pero en la estructura core-shell, sólo los agujeros fotogenerados llegan a la superficie; sin embargo, en la estructura mixta, tanto los huecos como los electrones llegan a la superficie de las nanopartículas, resultando en una mayor generación de hidrógeno.

Los HEP exhibieron tasas de desprendimiento de hidrógeno en un orden de magnitud más allá de lo que se puede lograr actualmente con los HEP inorgánicos de un solo componente. Esto sienta las bases para las tecnologías de almacenamiento de energía de próxima generación.

"Actualmente estamos estudiando el rendimiento de nanopartículas formadas a partir de diferentes mezclas de semiconductores para comprender mejor sus relaciones estructura-actividad". ", dice McCulloch." Estamos buscando diseñar fotocatalizadores de nanopartículas para otras reacciones fotocatalíticas, como desprendimiento de oxígeno o reducción de dióxido de carbono ".