Formación de fotoanodos de mescristales y características fotoquímicas de división del agua. una. Imagen de microscopio electrónico de un mescristal de hematites (ensamblado a partir de diminutas nanopartículas de aproximadamente 5 nm). B. Producción de gas del ánodo. C. Gráfico para mostrar la densidad de corriente y el voltaje aplicado. El ánodo es el ánodo del fotocatalizador, y se utilizó un electrodo de platino para el cátodo. El potencial se basa en el RHE (electrodo de hidrógeno reversible). El potencial de oxidación es de 1,23 V. La capacidad de división del agua solar se mejoró enormemente al hacer que las nanopartículas en las estructuras de mescristales sean más pequeñas. Crédito:Universidad de Kobe
Un grupo de investigación dirigido por el profesor asociado Tachikawa Takashi del Centro de Investigación de Fotosciencia Molecular de la Universidad de Kobe ha logrado desarrollar una estrategia que aumenta en gran medida la cantidad de hidrógeno producido a partir de la luz solar y el agua utilizando fotocatalizadores de hematita.
El hidrógeno ha recibido atención como una posible solución energética de próxima generación, y se puede producir a partir de la luz solar y el agua utilizando fotocatalizadores. Para que esto sea factible, es necesario desarrollar tecnologías de base para optimizar el potencial de los fotocatalizadores, además de encontrar nuevos materiales para catalizadores.
Esta vez, Tachikawa y col. produjo con éxito un fotoanodo con una conductividad extremadamente alta. Esto se logró únicamente mediante el recocido de mescristales de hematita, (superestructuras que constan de diminutas nanopartículas de aproximadamente 5 nm) a un sustrato de electrodo transparente. La hematita puede absorber una amplia gama de luz visible y es segura. estable, y económico.
Con este fotoanodo, los electrones y huecos producidos por la fuente de luz se separaron rápidamente y, al mismo tiempo, una gran cantidad de agujeros acumulados densamente en la superficie de las partículas. La acumulación de agujeros mejoró la eficiencia de la reacción de oxidación del agua; la lenta oxidación del agua ha sido anteriormente un cuello de botella en la división del agua.
Además de aumentar la alta eficiencia de lo que se cree que es el fotoanodo de mayor rendimiento del mundo, esta estrategia también se aplicará a la fotosíntesis artificial y las tecnologías solares de división del agua a través de colaboraciones entre la universidad y las industrias.
Estos resultados se publicarán en la revista alemana de química en línea. Edición internacional Angewandte Chemie el 30 de abril. Este trabajo también apareció en la portada interior.
La fotoconductividad de los mescristales de hematites. una. Ilustración de las medidas fotoconductoras AFM (* 10). B. Gráfico que muestra las correspondientes curvas de potencial corriente / corriente. La imagen insertada muestra el mescristal medido (producido a partir de la sinterización de mescristales a partir de diminutas nanopartículas de 5 nm). Crédito:Universidad de Kobe
Puntos principales:
Con el mundo enfrentando crecientes problemas ambientales y energéticos, El hidrógeno ha ganado atención como una de las posibles fuentes de energía de próxima generación. Idealmente, Los fotocatalizadores podrían usarse para convertir el agua y la luz solar en hidrógeno. Sin embargo, es necesaria una tasa de conversión de energía solar superior al 10% para permitir la adopción industrial de un sistema de este tipo. Utilizando las fortalezas de Japón en el descubrimiento de nuevos materiales, Es vital establecer una tecnología de base común que pueda desbloquear el potencial de los fotocatalizadores para lograr este objetivo.
Previamente, Tachikawa y col. desarrolló la 'tecnología de mescristales', que implica alinear con precisión nanopartículas en fotocatalizadores para controlar el flujo de electrones y sus huecos. Recientemente, aplicaron esta tecnología a la hematita (a-Fe 2 O 3 ), y logró aumentar drásticamente la tasa de conversión.
Esta vez, pudieron elevar la tasa de conversión hasta un 42% de su límite teórico (16%) sintetizando diminutas subunidades de nanopartículas en la hematita.
Tecnología mescristal:
El mecanismo de división del agua solar de los mescristales de hematita. una. La formación de vacantes de oxígeno (Vo) dentro de los mescristales y la estructura de la banda. Las capas de agotamiento de menos de 1 nm promueven la división de electrones y la oxidación del agua. CB:Banda de conducción, VB:Banda de Valencia, e-:electrón, h +:agujero. B. De acuerdo con el gradiente de potencial, una gran cantidad de agujeros se acumularon en la superficie de las partículas y oxidaron el agua, conduciendo a una gran disminución en la energía de activación (Ea) y mejorando la tasa de conversión.
El principal problema que provoca una disminución de la tasa de conversión en las reacciones fotocatalíticas es que los electrones y los huecos producidos por la luz se recombinan antes de que puedan reaccionar con las moléculas (en este caso, agua) en la superficie. Tachikawa y col. creó superestructuras de mescristales de hematites con nanopartículas altamente orientadas a través de síntesis solvotermal. Pudieron desarrollar fotoanodos de mescristales conductores para la división del agua mediante la acumulación y sinterización de mescristales sobre el sustrato del electrodo transparente (Figura 1).
Formación y rendimiento de fotocatalizadores:
Los fotoanodos de mescristales se produjeron recubriendo el sustrato del electrodo transparente con mescristales de hematita que contienen titanio y luego recociéndolos a 700 ºC. Se depositó un cocatalizador sobre la superficie de los mescristales. Cuando los fotocatalizadores se colocaron en una solución alcalina y se iluminaron con luz solar artificial, la reacción de división del agua tuvo lugar a una densidad de fotocorriente de 5,5 mAcm-2 bajo un voltaje aplicado de 1,23 V (Figura 1). Este es el rendimiento más alto logrado en el mundo para hematites, que es uno de los materiales fotocatalizadores más ideales debido a su bajo costo y propiedades de absorción de luz. Además, los fotoanodos de mescristales de hematita funcionaron de forma estable durante experimentos repetidos a lo largo de 100 horas.
La clave para lograr una alta tasa de conversión es el tamaño de las nanopartículas que componen la estructura del mescristal. Es posible aumentar en gran medida la cantidad de vacantes de oxígeno que se forman durante el proceso de sinterización haciendo que las nanopartículas sean tan pequeñas como 5 nm y aumentando las interfaces de conexión entre las nanopartículas. Esto aumentó la densidad de electrones, y aumentó significativamente la conductividad de los mescristales (Figura 2).
La alta densidad de electrones está relacionada con la formación de una gran banda que se dobla cerca de la superficie del mescristal. Esto promueve la separación de la carga inicial y facilita la acumulación de agujeros en la superficie. Este resultado se optimizó debido a la diminuta estructura de nanopartículas de los mescristales, e impulsó la reacción de oxidación del agua que había sido un cuello de botella para la división del agua eficiente (Figura 3).
Este estudio reveló que la tecnología de mescristales puede minimizar significativamente el problema de la recombinación, que es la principal causa de baja eficiencia en fotocatalizadores, y acelerar exponencialmente la reacción de división del agua.
Se espera que esta estrategia se pueda aplicar también a otros óxidos metálicos. Próximo, los investigadores colaborarán con las industrias para optimizar los fotoanodos mescristales de hematites e implementar un sistema industrial para producir hidrógeno a partir de la luz solar. Al mismo tiempo, La estrategia desarrollada por este estudio se aplicará a diversas reacciones, incluida la fotosíntesis artificial.
