Investigadores de todo el mundo están tratando de desarrollar generadores solares que puedan dividir el agua, produciendo gas hidrógeno que podría usarse como combustible limpio. Tal dispositivo requiere materiales eficientes que absorban la luz que atraigan y retengan la luz solar para impulsar las reacciones químicas involucradas en la división del agua. Los semiconductores como el silicio y el arseniuro de galio son excelentes absorbentes de luz, como se desprende de su uso generalizado en paneles solares. Sin embargo, estos materiales se oxidan cuando se sumergen en el tipo de soluciones de agua que se encuentran en dichos sistemas.

Ahora, los investigadores de Caltech en el Centro Conjunto para la Fotosíntesis Artificial (JCAP) han ideado un método para proteger estos semiconductores comunes de la corrosión incluso cuando los materiales continúan absorbiendo la luz de manera eficiente. El hallazgo allana el camino para el uso de estos materiales en generadores de combustible solar.

"Durante la mayor parte de medio siglo, estos materiales se han considerado fuera de la mesa para este tipo de uso, "dice Nate Lewis, el profesor George L. Argyros y profesor de química en Caltech, y el investigador principal del papel. "Pero no renunciamos a desarrollar esquemas mediante los cuales pudiéramos protegerlos, y ahora estos semiconductores tecnológicamente importantes están de vuelta sobre la mesa ".

La investigación, dirigido por Shu Hu, un becario postdoctoral en química en Caltech, aparece en el número del 30 de mayo de la revista Ciencias .

En el tipo de generador de combustible solar integrado que JCAP se esfuerza por producir, deben tener lugar dos semirreacciones:una que implica la oxidación del agua para producir oxígeno gaseoso; el otro implica la reducción de agua, produciendo gas hidrógeno. Cada semirreacción requiere tanto un material absorbente de luz que sirva como fotoelectrodo como un catalizador para impulsar la química. Además, las dos reacciones deben estar físicamente separadas por una barrera para evitar producir una mezcla explosiva de sus productos.

Históricamente, Ha sido particularmente difícil encontrar un material absorbente de luz que lleve a cabo de manera robusta la semirreacción de oxidación. Los investigadores han intentado sin mucho acierto, una variedad de materiales y numerosas técnicas para recubrir los semiconductores absorbentes de luz comunes. El problema ha sido que si la capa protectora es demasiado fina, la solución acuosa penetra y corroe el semiconductor. Si, por otra parte, la capa es demasiado gruesa, previene la corrosión pero también impide que el semiconductor absorba la luz y evita que los electrones pasen para alcanzar el catalizador que impulsa la reacción.

En Caltech, Los investigadores utilizaron un proceso llamado deposición de capa atómica para formar una capa de dióxido de titanio (TiO2), un material que se encuentra en la pintura blanca y en muchas pastas dentales y protectores solares, en cristales individuales de silicio. arseniuro de galio, o fosfuro de galio. La clave fue que utilizaron una forma de TiO2 conocida como "TiO2 con fugas", porque pierde electricidad. Fabricado por primera vez en la década de 1990 como material que podría ser útil para construir chips de computadora, Los óxidos con fugas se rechazaron como indeseables debido a su comportamiento de fuga de carga. Sin embargo, El TiO2 con fugas parece ser justo lo que se necesitaba para esta aplicación de generador de combustible solar. Depositado como una película, con un grosor de entre 4 y 143 nanómetros, el TiO2 permaneció ópticamente transparente en los cristales semiconductores, lo que les permitió absorber la luz, y los protegió de la corrosión, pero permitió que los electrones pasaran a través de ellos con una resistencia mínima.

Encima del TiO2, los investigadores depositaron "islas" de 100 nanómetros de espesor de un material de óxido de níquel económico que catalizó con éxito la oxidación del agua para formar oxígeno molecular.

El trabajo parece hacer ahora disponibles una gran cantidad de opciones como posibles materiales absorbentes de luz para el lado de la oxidación de la ecuación de división del agua. Sin embargo, los investigadores enfatizan, aún no se sabe si la capa protectora funcionaría tan bien si se aplicara con un técnica de aplicación menos controlada, como pintar o rociar TiO2 sobre un semiconductor. También, hasta ahora, el equipo de Caltech solo ha probado los semiconductores recubiertos durante unos cientos de horas de iluminación continua.

"Esto ya es un récord en términos de eficiencia y estabilidad para este campo, pero aún no sabemos si el sistema falla a largo plazo y estamos tratando de asegurarnos de que produzcamos algo que dure años en áreas extensas. en lugar de semanas, "dice Lewis." Ese es el siguiente paso ".