Una mirada a nanoescala de un fotocatalizador que es duradero y muy eficiente. Esta imagen de microscopio electrónico de transmisión de alta resolución de un nanocristal de dióxido de titanio después de la hidrogenación revela un desorden diseñado en la superficie del cristal. un cambio que permite al fotocatalizador absorber la luz infrarroja.
(PhysOrg.com) - Un pequeño desorden ayuda mucho, especialmente cuando se trata de aprovechar la energía del sol. Los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de EE. UU. (Berkeley Lab) mezclaron la estructura atómica de la capa superficial de los nanocristales de dióxido de titanio, creando un catalizador que es duradero y más eficiente que todos los demás materiales en el uso de la energía del sol para extraer hidrógeno del agua.
Su fotocatalizador, que acelera las reacciones químicas impulsadas por la luz, es el primero en combinar durabilidad y eficiencia sin precedentes, lo que lo convierte en un competidor para su uso en varias tecnologías de energía limpia.
Podría ofrecer una forma libre de contaminación de producir hidrógeno para su uso como portador de energía en pilas de combustible. Las pilas de combustible se han considerado una alternativa a los motores de combustión en los vehículos. Hidrógeno molecular, sin embargo, existe naturalmente en la Tierra solo en concentraciones muy bajas. Debe extraerse de materias primas como gas natural o agua, un proceso de uso intensivo de energía que es una de las barreras para la implementación generalizada de la tecnología.
“Estamos tratando de encontrar mejores formas de generar hidrógeno a partir del agua utilizando la luz del sol, "Dice Samuel Mao, científico de la División de Tecnologías de Energía Ambiental de Berkeley Lab que dirigió la investigación. "En este trabajo, introdujimos el desorden en los nanocristales de dióxido de titanio, lo que mejora enormemente su capacidad de absorción de luz y su eficiencia en la producción de hidrógeno a partir del agua ".
Mao es el autor correspondiente de un artículo sobre esta investigación que se publicó en línea el 20 de enero de 2011 en Science Express con el título "Aumento de la absorción solar para la fotocatálisis con negro, Nanocristales de dióxido de titanio hidrogenado ”. Coautores del artículo con Mao son los investigadores del laboratorio de Berkeley Xiaobo Chen, Lei Liu, y Peter Yu.
Mao y su grupo de investigación comenzaron con nanocristales de dióxido de titanio, que es un material semiconductor que se utiliza como fotocatalizador para acelerar reacciones químicas, como aprovechar la energía del sol para suministrar electrones que dividen el agua en oxígeno e hidrógeno. Aunque duradero, El dióxido de titanio no es un fotocatalizador muy eficaz. Los científicos han trabajado para aumentar su eficiencia agregando impurezas y realizando otras modificaciones.
Los científicos del laboratorio de Berkeley probaron un nuevo enfoque. Además de agregar impurezas, diseñaron el desorden en la estructura reticular ordinariamente perfecta, átomo por átomo, de la capa superficial de los nanocristales de dióxido de titanio. Este trastorno se introdujo mediante hidrogenación.
El resultado es el primer nanocristal diseñado por ingeniería desordenada. Una transformación fue obvia:los nanocristales de dióxido de titanio generalmente blancos se volvieron negros, una señal de que el desorden diseñado producía absorción de infrarrojos.
Los científicos también supusieron que el trastorno impulsó el rendimiento del fotocatalizador. Para averiguar si su corazonada era correcta, sumergieron nanocristales alterados por ingeniería en agua y los expusieron a la luz solar simulada. Descubrieron que el 24 por ciento de la luz solar absorbida por el fotocatalizador se convertía en hidrógeno, una tasa de producción que es aproximadamente 100 veces mayor que los rendimientos de la mayoría de los fotocatalizadores de semiconductores.
Además, su fotocatalizador no mostró ningún signo de degradación durante un período de prueba de 22 días, lo que significa que es potencialmente lo suficientemente duradero para su uso en el mundo real.
El científico de Berkeley Lab, Samuel Mao, dirige un equipo de investigación que busca formas sostenibles de generar hidrógeno para su uso en tecnologías de energía limpia. En un desarrollo único en su tipo, mezclaron la capa superficial de nanocristales de dióxido de titanio, una hazaña que transformó el material de blanco a negro. También creó un fotocatalizador cuya eficiencia supera a otros en el uso de la energía del sol para extraer hidrógeno del agua. (Foto de Roy Kaltschmidt, Asuntos Públicos de Berkeley Lab)
Su eficiencia histórica se debe en gran parte a la capacidad del fotocatalizador para absorber luz infrarroja, convirtiéndolo en el primer fotocatalizador de dióxido de titanio en absorber luz en esta longitud de onda. También absorbe luz visible y ultravioleta. A diferencia de, la mayoría de los fotocatalizadores de dióxido de titanio solo absorben luz ultravioleta, y los que contienen defectos pueden absorber la luz visible. La luz ultravioleta representa menos del diez por ciento de la energía solar.
"Cuanta más energía del sol pueda absorber un fotocatalizador, Cuantos más electrones se puedan suministrar a una reacción química, lo que hace que el dióxido de titanio negro sea un material muy atractivo, "Dice Mao, quien también es profesor adjunto de ingeniería en la Universidad de California en Berkeley.
Los intrigantes hallazgos experimentales del equipo fueron esclarecidos por los físicos teóricos Peter Yu y Lei Liu, quien exploró cómo la mezcla de la red de átomos en la superficie del nanocristal a través de la hidrogenación cambia sus propiedades electrónicas. Sus cálculos revelaron ese desorden, en forma de defectos de celosía e hidrógeno, hace posible que los fotones entrantes exciten a los electrones, que luego saltan a través de un espacio donde no pueden existir estados de electrones. Una vez a través de esta brecha, los electrones son libres para activar la reacción química que divide el agua en hidrógeno y oxígeno.
"Al introducir un tipo específico de trastorno, Los estados electrónicos de intervalo medio se crean acompañados de un intervalo de banda reducido, "Dice Yu, quien también es profesor en el Departamento de Física de la Universidad de California en Berkeley. "Esto hace posible que la parte infrarroja del espectro solar sea absorbida y contribuya a la fotocatálisis".
Esta investigación fue apoyada por la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable del Departamento de Energía. Las imágenes de microscopía electrónica de transmisión utilizadas para estudiar los nanocristales a escala atómica se realizaron en el Centro Nacional de Microscopía Electrónica, una instalación de usuario nacional ubicada en Berkeley Lab.
