Por primera vez, investigadores de Tokyo Tech han optimizado un fotocatalizador sensibilizado por colorante que facilita la actividad de división de agua solar más eficiente registrada hasta la fecha (para catalizadores similares). Su catalizador de nanoláminas sensibilizadas por colorante y modificada en la superficie muestra un potencial inmenso, ya que puede suprimir la transferencia de electrones indeseables y mejorar la actividad de división del agua hasta cien veces.

Una de las formas más sencillas en las que las moléculas de agua se pueden dividir en hidrógeno es mediante el uso de fotocatalizadores. Estos materiales, que son semiconductores que pueden absorber la luz y llevar a cabo reacciones de división del agua simultáneamente, proporcionan una configuración sencilla para la producción masiva de hidrógeno. Los semiconductores pueden generar un par electrón-hueco para la reacción de división del agua; sin embargo, dado que los portadores de carga tienden a recombinarse, se ha desarrollado un sistema fotocatalítico de "esquema Z" que involucra dos materiales semiconductores y un mediador de electrones para suprimir esto.

En esta configuración, el mediador de electrones, que suele ser un par reversible aceptor/donador de electrones (como I₃ ^- /Yo ^- ), acepta electrones de uno de los fotocatalizadores y los dona al otro. Esto separa los portadores de carga entre los semiconductores. A pesar de eliminar la recombinación de carga dentro del semiconductor, las especies aceptoras de electrones (I₃ ^- ) compite con el fotocatalizador de hidrógeno por los electrones, lo que resulta en una baja eficiencia de conversión de energía solar en hidrógeno.

Para mejorar la producción de hidrógeno, un equipo de investigadores internacionales, incluido el profesor asistente especialmente designado Shunta Nishioka y el profesor Kazuhiko Maeda del Instituto de Tecnología de Tokio (Tokyo Tech), ha estado trabajando en formas de prevenir la transferencia de electrones no deseada. Sobre la experimentación con fotocatalizadores de niobato sensibilizados con colorante de rutenio (Ru) (Ru/Pt/HCa₂ Número₃ O₁₀ ), los investigadores notaron que la producción de hidrógeno aumenta significativamente a niveles bajos de I₃ ^- concentraciones Estos hallazgos los llevaron a desarrollar un sistema eficiente de división del agua que consta de un fotocatalizador de evolución de oxígeno y una nanolámina de niobato sensibilizada con colorante Ru modificada que funciona como un mejor fotocatalizador de evolución de hidrógeno. "Hemos mejorado con éxito la eficiencia de un sistema general de división de agua de esquema Z mediante el uso de un fotocatalizador de nanoláminas sensibilizado con tinte modificado en la superficie", dice el profesor Maeda. Los resultados de su estudio han sido publicados en la revista Science Advances .

Para mantener el I₃ ^- concentración en el sistema de reacción baja, a PtO_x /H-Cs-WO₃ El fotocatalizador se utiliza como catalizador de evolución de oxígeno. Al mismo tiempo, Al₂ O₃ y se añade poli(sulfonato de estireno) (PSS) para suprimir la transferencia de electrones desde el semiconductor al complejo de Ru oxidado y el I₃ ^- ión, respectivamente. Este diseño permite que más electrones participen en la reacción de evolución del hidrógeno, lo que resulta en el sistema de división de agua de esquema Z más eficiente hasta la fecha. "La modificación de la superficie del fotocatalizador de nanoláminas sensibilizadas con tinte mejoró la actividad de división del agua solar en casi 100 veces, haciéndolo comparable a los sistemas de fotocatalizadores basados ​​en semiconductores convencionales", dice el profesor Maeda.

Con la transferencia de retroelectrones suprimida, el fotocatalizador desarrollado también podría mantener la producción de hidrógeno a bajos niveles de luz, lo que le da una ventaja sobre otros fotocatalizadores que requieren altas intensidades de luz. Además, al minimizar el impacto de las reacciones de transferencia de retroelectrones, los investigadores no solo establecieron un nuevo punto de referencia para los fotocatalizadores sensibilizados con colorantes para la división del agua en el esquema Z, sino que también sentaron las bases para mejorar otros sistemas sensibilizados con colorantes que se utilizan para otras reacciones importantes como CO₂ reducción. + Explora más

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