Mejora económica y sencilla de fotoanodos para la oxidación del agua. Crédito:Instituto de Tecnología de Tokio
Científicos del Instituto de Tecnología de Tokio (Tokyo Tech) demuestran el primer sistema fotoelectroquímico de luz visible para la división del agua utilizando TiO 2 mejorado con un material abundante en la tierra:el cobalto. El enfoque propuesto es simple y representa un trampolín en la búsqueda para lograr una división de agua asequible para producir hidrógeno. una alternativa limpia a los combustibles fósiles.
División de agua fotoelectroquímica, el proceso por el cual se usa la energía de la luz para dividir las moléculas de agua en hidrógeno (H 2 ) y oxígeno (O 2 ), es un enfoque prometedor para obtener hidrógeno puro para su uso como combustible limpio alternativo. Este proceso se lleva a cabo en celdas electroquímicas que contienen un ánodo y un cátodo sumergidos en agua, que están conectados a través de un circuito externo.
En el ánodo, se produce la oxidación del agua, por lo que O 2 se produce extrayendo energía de las ondas de luz. Estas ondas transfieren energía a los electrones del material del ánodo, permitiéndoles moverse a través del circuito externo para llegar al cátodo. Aquí, los electrones recibidos y el material del cátodo causan H 2 formar.
Hasta la fecha, Ha sido difícil encontrar sistemas fotoelectroquímicos que lleven a cabo este proceso de manera eficiente debido a varias razones. Dióxido de titanio (TiO 2 ), un material fotoanodo conocido y ampliamente utilizado, solo puede absorber energía de la luz en la región ultravioleta; es decir, luz de alta energía. Debido a que sería preferible aprovechar la energía de la luz de longitud de onda más larga, TiO 2 se puede mezclar con metales nobles (como oro o plata) para sensibilizarlo a la luz visible, pero esto resultaría caro en aplicaciones a gran escala.
Para encontrar una solución a este problema, un equipo de investigación de Tokyo Tech creó el primer fotoanodo de luz visible hecho de TiO 2 mejorado con un material abundante en la tierra:el cobalto. Su estudio publicado en Interfaces y materiales aplicados ACS explica el proceso sorprendentemente simple de fabricación de fotoanodos; TiO delgado 2 las películas se cultivan sobre un sustrato mediante un procedimiento estándar y luego se introduce cobalto sumergiéndolos en una solución acuosa de nitrato de cobalto. "Este estudio demuestra que se puede construir una celda fotoelectroquímica impulsada por luz visible para la oxidación del agua mediante el uso de metales abundantes en la tierra sin la necesidad de complicados procedimientos de preparación," "comenta el profesor Kazuhiko Maeda, quien dirigió la investigación.
A través de múltiples tipos de análisis de espectrometría y microscopía electrónica de barrido, los investigadores identificaron la composición y estructura específicas de la superficie modificada con cobalto del TiO 2 fotoanodo para comprender cómo el cobalto permite que el material absorba la luz visible para movilizar electrones y provocar la oxidación del agua. Resulta que los dominios de cobalto no solo capturan la luz visible y transfieren cargas (electrones) en el TiO 2 interfaz, pero también sirven como sitios catalíticos que facilitan la oxidación del agua. Es más, los investigadores encontraron que la estructura de la base TiO 2 la película delgada afecta el rendimiento del fotoanodo modificado final, presumiblemente al permitir una mejor o peor acomodación de los átomos de cobalto. La estructura del TiO 2 la película se puede ajustar fácilmente ajustando los parámetros de fabricación, lo que permitió al equipo realizar múltiples pruebas para conocer mejor este fenómeno.
Aún queda trabajo por hacer, ya que será necesario optimizar aún más el diseño del fotoanodo para mejorar el proceso de transferencia de carga que ocurre entre los átomos de cobalto y el TiO 2 sustrato para lograr mayores tasas de oxidación del agua. Sin embargo, una ventaja importante del sistema de oxidación de agua propuesto es que no es sacrificatorio; en otras palabras, los materiales empleados no dependen de oxidantes y / o reductores ricos en energía (es decir, reactivos de sacrificio). "Hasta aquí, Los sistemas de fotooxidación de agua sensibilizada con cobalto se habían compuesto de fotocatálisis a base de polvo, que funcionan solo en presencia de un aceptor de electrones de sacrificio. Por lo tanto, El presente estudio también demuestra la separación de agua de luz visible sin reactivos de sacrificio utilizando un material semiconductor sensibilizado con cobalto (TiO 2 ), ", concluye el profesor Maeda. Se espera que este estudio sirva como un trampolín para todos aquellos que intentan lograr una división del agua asequible para garantizar un futuro más verde.
