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La clave para cosechar de manera eficiente la energía de la luz solar podría ser encontrar las combinaciones adecuadas de materiales captadores de luz. Los investigadores de KAUST han descubierto que una forma de óxido de hierro es un excelente cocatalizador para un material fotocatalítico prometedor llamado nitruro de galio.
Encontrar fotocatalizadores que puedan usar la luz solar de manera eficiente para producir combustible de hidrógeno limpio a partir del agua es una de las aplicaciones más buscadas de la energía solar. "Los nitruros pueden absorber la mayor parte de la energía del espectro solar, pero el nitruro de galio es un fotocatalizador de división de agua defectuoso, "dice Martín Velázquez-Rizo, un doctorado estudiante en los laboratorios de Kazuhiro Ohkawa, quien dirigió la investigación actual.
"Cuando se utiliza GaN como fotocatalizador, el material se daña rápidamente por la fotocorrosión, que impide su implementación en aplicaciones industriales, ", Dice Velázquez-Rizo. El daño por fotocorrosión era visible después de solo dos horas de producción de hidrógeno fotoelectroquímico, el equipo mostró.
Para probar la posibilidad de extender la vida útil del fotocatalizador de nitruro de galio, los investigadores intentaron combinarlo con un óxido de hierro. "Fe 2 O 3 es un material muy conocido en el área de la catálisis por sus propiedades ópticas y electrónicas y por su capacidad para operar en entornos hostiles, "dice Velázquez-Rizo." Anticipamos que, en las condiciones adecuadas, Fe 2 O 3 podría suprimir la fotocorrosión de los fotocatalizadores de GaN sin disminuir sus capacidades de fotoabsorción ".
La estrategia ha demostrado ser eficaz. Cuando el equipo decoró la superficie de GaN con un 1,3 por ciento de recubrimiento de Fe 2 O 3 partículas los primeros signos de fotocorrosión fueron más de 20 veces más lentos en aparecer. Además, la tasa de producción de hidrógeno del Fe 2 O 3 El fotocatalizador / GaN fue cinco veces mayor que el GaN solo. Los resultados, dice Velázquez-Rizo, "acercamos un paso más a los fotocatalizadores de GaN a su implementación en aplicaciones de la vida real".
Parte de la razón Fe 2 O 3 y GaN funcionan bien juntos es probable debido a la forma inusual en que el Fe 2 O 3 las partículas están dispuestas en la superficie de GaN. Los átomos de las partículas de óxido de hierro se alinean perfectamente con los átomos de la red de GaN de abajo, un efecto conocido como crecimiento epitaxial. Este efecto rara vez se observa cuando se combinan materiales con diferentes propiedades cristalográficas, como Fe 2 O 3 y GaN.
"El trabajo de Martin ha demostrado que estos diferentes sistemas de materiales pueden tener una alineación cristalina coherente, sin defectos cristalinos, "Ohkawa dice." Los dispositivos fotoelectrodos de hoy están hechos de semiconductores de nitruro o de óxidos, pero su resultado indica que al combinar los dos, es posible fabricar dispositivos novedosos ". El equipo continúa desarrollando nuevos materiales compuestos basados en GaN para mejorar la eficiencia de conversión de energía de los fotocatalizadores.
