El sol es una fuente abundante de energía renovable, que se puede capturar y convertir en electricidad utilizable. Sin embargo, porque el sol no siempre brilla, el suministro de energía no es continuo. Necesitamos una forma de almacenar la energía del sol para que pueda ser liberada a demanda durante las horas "inactivas". como por la noche y en condiciones nubladas.

Una opción es utilizar la energía solar para impulsar reacciones químicas que generan combustibles. Por ejemplo, La energía solar se puede convertir en hidrógeno, un combustible de combustión limpia y denso en energía, mediante la división del agua. Para impulsar esta reacción, dos electrodos hechos de materiales semiconductores absorbentes de luz están conectados y sumergidos en agua. La luz del sol que golpea los electrodos crea una corriente eléctrica que divide el agua en sus dos componentes:hidrógeno y oxígeno.

"Necesitamos productos de bajo costo, ampliamente disponible, y semiconductores respetuosos con el medio ambiente que pueden absorber luz en un rango de longitudes de onda y llevar a cabo de manera eficiente la oxidación del agua en gas oxígeno, la parte más desafiante de la reacción, "explicó Mingzhao Liu, científico de planta del Grupo de Catálisis y Ciencia de Interfaces del Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN) del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE). "Cuando se expone al oxígeno, los semiconductores pueden corroerse fácilmente ".

Por ejemplo, silicio, el semiconductor que se utiliza normalmente en las células solares, se corroe rápidamente cuando se expone al oxígeno. El dióxido de titanio ha demostrado una alta estabilidad y conductividad eléctrica. pero solo absorbe luz ultravioleta (UV), que representa solo alrededor del seis por ciento de toda la radiación solar recibida en la superficie de la Tierra. Otro candidato prometedor es el vanadato de bismuto. Hecho de bismuto, vanadio, y oxígeno (BVO), este de color amarillo, El material no tóxico tiene una alta estabilidad y puede absorber tanto la luz UV como la luz visible. Sin embargo, es un mal conductor de la electricidad, limitando su eficiencia de conversión de energía solar a hidrógeno.

En los ultimos años, Liu ha estado liderando un esfuerzo para cultivar BVO de alta calidad y mejorar su rendimiento para la división solar del agua. Como explicó Liu, El BVO es un material complicado porque está hecho de dos metales y oxígeno diferentes. Si las proporciones de átomos no son exactamente uno a uno, los defectos pueden introducirse involuntariamente. Estos defectos hacen que sea difícil estudiar las verdaderas propiedades del material y descubrir sus limitaciones inherentes.

Para crear películas delgadas de BVO con una alta pureza y estructura cristalina, Liu ha estado usando deposición láser pulsada. En esta técnica, un láser UV enfocado calienta un material objetivo con la composición elemental deseada dentro de una cámara de vacío. Debido a que la energía de los pulsos láser es muy intensa, los átomos en la superficie del material objetivo se vaporizan y condensan sobre un sustrato para formar una película delgada.

"Una vez que tengamos un material cristalino sin defectos, entonces podemos preguntar ¿cómo podemos mejorarlo? ", dijo Liu.

En un estudio publicado a principios de este año, Liu, Colegas de CFN, y teóricos de la Universidad de California (UC), Santa Cruz, investigó cómo se podría mejorar la conductividad eléctrica del BVO añadiéndole pequeñas cantidades de otros materiales (un proceso conocido como dopaje) a través de la deposición con láser pulsado. Los cálculos de la estructura electrónica de los teóricos indicaron que el litio sería un dopante ideal para probar experimentalmente; el litio contribuiría fácilmente con un electrón al sistema a temperatura ambiente y sería lo suficientemente pequeño como para caber dentro de los huecos dentro de la red sin afectar significativamente su estructura.

Después de sintetizar películas delgadas de BVO dopadas con una cantidad óptima de litio, el equipo llevó a cabo una serie de estudios de caracterización basados ​​en rayos X y electrones en el CFN y el National Synchrotron Light Source II de Brookhaven (NSLS-II). Estos estudios confirmaron la pureza de las películas y la falta de distorsiones de la red después del dopaje con litio. Luego, El equipo midió las propiedades de transporte electrónico y el rendimiento fotoelectroquímico del BVO dopado con litio. Según estos experimentos, El dopaje con litio aumentó la conductividad del BVO en casi dos órdenes de magnitud y su actividad de oxidación del agua en un 20 por ciento. en comparación con BVO puro.

"La predicción teórica y la validación experimental van de la mano para crear rápidamente nuevos materiales para la conversión de energía, "dijo Yuan Ping, profesor asistente en el Departamento de Química y Bioquímica e investigador principal del Grupo Ping en UC Santa Cruz.

En otro estudio reciente, Liu y colaboradores de la Universidad de Chicago y la Universidad de Wisconsin-Madison investigaron el impacto de las vacantes de oxígeno en la estructura electrónica y las propiedades de transporte de BVO en su orientación más estable energéticamente. Como explicó Liu, los sitios en la red donde falta oxígeno son inherentes a los materiales de óxido, incluso sin dopaje. Usando métodos computacionales, el equipo creó un modelo estructural de BVO y validó este modelo comparando estados electrónicos experimentales y computados. Sus resultados sugirieron que las vacantes de oxígeno en la mayor parte (interior) del material contribuyen a la conductividad, mientras que los de la superficie no lo hacen y pueden, de hecho, obstaculizar la conductividad.

"Las vacantes de oxígeno en la superficie actúan más como trampas de carga, "dijo Liu." Cuando los cargos van allí, se vuelven localizados y estancados ".

Se necesitan estudios de seguimiento para comprender cómo las vacantes de oxígeno en la superficie y su tendencia a inmovilizar cargas se ven afectadas cuando el BVO se sumerge en agua y trabaja junto con un cocatalizador para mejorar la transferencia de carga. Los científicos investigarán si los óxidos de metales de transición pueden funcionar eficazmente como cocatalizadores. También explorarán cómo la actividad de la división del agua solar depende de qué tipo de átomos (bismuto o vanadio) terminan la capa superficial.

"En ambos estudios, la estrecha colaboración entre experimentales y teóricos fue clave para nuestro éxito, ", dijo Liu." Esperamos continuar con estas colaboraciones para ampliar aún más nuestra comprensión de BVO e identificar mecanismos para impulsar su desempeño ".