La luz solar que recibe la Tierra es una mezcla de longitudes de onda que van desde el ultravioleta hasta el visible y el infrarrojo. Cada longitud de onda lleva energía inherente que, si se aprovecha eficazmente, tiene un gran potencial para facilitar la producción de hidrógeno solar y disminuir la dependencia de fuentes de energía no renovables. No obstante, las tecnologías de producción de hidrógeno solar existentes enfrentan limitaciones a la hora de absorber luz en este amplio espectro, en particular al no aprovechar el potencial de la energía luminosa del infrarrojo cercano (NIR) que llega a la Tierra.

Investigaciones recientes han identificado que tanto Au como Cu₇ S₄ Las nanoestructuras exhiben una característica óptica distintiva conocida como resonancia de plasmón superficial localizada (LSPR).

Se puede ajustar con precisión para absorber longitudes de onda que abarcan el espectro visible al NIR. Un equipo de investigadores, dirigido por el profesor asociado Tso-Fu Mark Chang y el profesor Chun-Yi Chen del Instituto de Tecnología de Tokio, y el profesor Yung-Jung Hsu de la Universidad Nacional Yang Ming Chiao Tung, aprovechó esta posibilidad y desarrolló un innovador Au@ Cu₇ S₄ Yolk@shell nanocristal capaz de producir hidrógeno cuando se expone tanto a la luz visible como a la NIR.

Sus hallazgos se publican en Nature Communications. .

"Nos dimos cuenta de que la producción de hidrógeno de amplio espectro está ganando impulso en los últimos días como posible fuente de energía verde. Al mismo tiempo, vimos que actualmente no había muchas opciones disponibles para fotocatalizadores que pudieran responder a la irradiación NIR", dice Dr. Hsu y Dr. Chang. "Entonces, decidimos crear uno combinando dos nanoestructuras prometedoras, es decir, Au y Cu₇. S₄ , con funciones LSPR personalizables."

El equipo de investigación utilizó una reacción de intercambio iónico para la síntesis de Au@Cu₇ S₄ nanocristales, que posteriormente se analizaron mediante microscopía electrónica de transmisión de alta resolución, espectroscopia de absorción de rayos X y espectroscopia de absorción transitoria para investigar las propiedades estructurales y ópticas.

Estas investigaciones confirmaron que Au@Cu₇ S₄ presenta una nanoestructura yema@cáscara dotada de propiedades ópticas plasmónicas duales. Además, los datos de espectroscopía ultrarrápida revelaron que Au@Cu₇ S₄ mantuvo estados de separación de carga de larga duración cuando se expuso a la luz visible y NIR, destacando su potencial para la conversión eficiente de la energía solar.

El equipo de investigación descubrió que las nanoestructuras yema@cáscara inherentes al Au@Cu₇ S₄ Los nanocristales mejoraron notablemente sus capacidades fotocatalíticas.

"El espacio confinado dentro de la cáscara hueca mejoró la cinética de difusión molecular, aumentando así las interacciones entre las especies reactivas. Además, la movilidad de las partículas de yema jugó un papel crucial en el establecimiento de un ambiente de reacción homogéneo, ya que pudieron agitar la solución de reacción de manera efectiva. ", explica el Dr. Chen.

En consecuencia, este innovador fotocatalizador alcanzó un rendimiento cuántico máximo del 9,4 % en el rango visible (500 nm) y logró un rendimiento cuántico récord del 7,3 % en el rango NIR (2200 nm) para la producción de hidrógeno. Distintivamente, a diferencia de los sistemas fotocatalíticos convencionales, este novedoso enfoque elimina la necesidad de cocatalizadores para mejorar las reacciones de producción de hidrógeno.

En general, el estudio presenta una plataforma fotocatalítica sostenible para la generación de combustible solar que cuenta con notables capacidades de producción de hidrógeno y sensibilidad a un amplio espectro de luz. Muestra el potencial de aprovechar las propiedades LSPR de Au y Cu₇ S₄ para la captura efectiva de energía NIR previamente no explotada.

"Somos optimistas de que nuestros hallazgos motivarán más investigaciones para ajustar las propiedades LSPR de semiconductores no estequiométricos autodopados, con el objetivo de crear fotocatalizadores que respondan en un amplio espectro para una variedad de aplicaciones de energía solar", concluyen el Dr. Hsu y el Dr. Chang.

Más información: Chun-Wen Tsao et al, Nanocristales de yema@shell de Au@Cu7S4 dual-plasmónicos para la producción de hidrógeno fotocatalítico en la región espectral visible al infrarrojo cercano, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-023-44664-3

Información de la revista: Comunicaciones sobre la naturaleza

Proporcionado por el Instituto de Tecnología de Tokio