Ilustración de un fotoelectrodo de hematita que consiste en una matriz periódica de nanohaz (rojo) sobre una capa conductora de ITO (azul oscuro). La estructura de nanohaz aumenta la absorción de la luz solar en la interfaz hematita / H2O, resultando en una conversión más eficiente de la luz solar en combustible solar. Crédito:Soo Jin Kim, et al. © 2014 Sociedad Química Estadounidense
(Phys.org) - Dado que la dependencia mundial de los combustibles fósiles causa problemas cada vez mayores, Los investigadores están investigando los combustibles solares como fuente de energía alternativa. Para fabricar combustibles solares, la luz del sol se convierte en hidrógeno u otro tipo de energía química. En comparación con la energía producida por células solares, que convierten la luz solar directamente en electricidad, Los combustibles solares como el hidrógeno tienen la ventaja de ser más fáciles de almacenar para su uso posterior.
Debido a la enorme cantidad de luz solar que llega a la Tierra, La generación de combustible solar tiene el potencial de servir como un medio limpio y fuente de energía global a escala de teravatios. Pero para que esto suceda, se deben mejorar los fotocatalizadores que mejoran la absorción de la luz y la captura de luz, tanto en términos de mayor rendimiento como de menor costo.
En un nuevo estudio, investigadores Soo Jin Kim, et al., en el Laboratorio Geballe de Materiales Avanzados en Stanford, California, han demostrado que los fotocatalizadores hechos de óxido de hierro exhiben mejoras sustanciales en el rendimiento cuando se modelan con nanoestructuras. Su artículo se publica en una edición reciente de Nano letras .
"Creo que el avance más significativo es que el trabajo proporcionará pautas valiosas para el diseño de nuevos Materiales fotocatalizadores nanoestructurados capaces de absorber la luz de forma eficaz e impulsar reacciones catalíticas, "El profesor Mark L. Brongersma de Stanford dijo Phys.org . "Ojalá, estimulará más investigaciones sobre la gestión de fotones para materiales fotocatalizadores. El uso de la gestión de fotones en la generación de combustible solar está muy rezagado con respecto al desarrollo de estrategias de gestión de fotones para las células solares ".
Como explican los investigadores, óxido de hierro en la fase de hematita (Fe 2 O 3 ) es un semiconductor abundante en la tierra con una energía de banda prohibida de 590 nm, que se considera cercano al óptimo para la división del agua y la producción de hidrógeno. Debido a que absorbe fotones en una porción relativamente grande del espectro solar, supera a otros materiales catalizadores que absorben porciones más pequeñas del espectro solar.
A pesar de estas ventajas, la hematita tiene una debilidad:no puede absorber fotones cerca de su superficie, lo que da como resultado que muchos de los portadores fotoexcitados se recombinen en lugar de participar en reacciones químicas para producir hidrógeno. Este problema se produce debido a un desajuste entre la longitud de difusión del portador muy corta (escala nanométrica) de la hematita en comparación con la profundidad de absorción de la luz (escala micrométrica cerca de la superficie). Entonces, aunque los fotones están presentes, no se pueden utilizar de forma eficaz.
Investigaciones anteriores han intentado abordar este problema mediante la adición de nanoestructuras metálicas para mejorar la absorción de luz en la región cercana a la superficie de los fotocatalizadores. Sin embargo, este enfoque adolece de pérdidas ópticas intrínsecas en el metal.
En el estudio actual, los investigadores han sorteado este problema de pérdida óptica mediante nanopatrones de los propios fotocatalizadores de hematita. Las nanoestructuras permiten que el fotocatalizador supere el desajuste perjudicial entre la difusión del portador y las escalas de longitud de absorción fotónica. y redistribuir los fotones a la región cercana a la superficie.
Los beneficios de la nanoestructuración provienen del hecho de que permite que la luz solar genere resonancias ópticas en la hematita, resultando en una mejora tanto de la absorción de la luz como de la dispersión de la luz. Al diseñar el tamaño, forma, espaciado, y ambiente dieléctrico de las nanoestructuras, los investigadores pudieron optimizar y sintonizar las longitudes de onda resonantes en todo el espectro solar.
Esta estrategia de nanoestructuración de un fotocatalizador podría extenderse a otros materiales fotocatalizadores. Dado que las técnicas de nanopatrón se siguen utilizando con mayor frecuencia en muchas áreas diferentes, Es probable que se puedan fabricar matrices nanoestructuradas de forma económica en grandes áreas.
"Próximo, vamos a emplear conceptos de metamateriales en nuestros materiales fotocatalizadores, ", Dijo Brongersma." ¡Veremos a dónde nos lleva! "
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