Un equipo de investigación formado por miembros del Instituto Egipcio de Investigación del Petróleo y el Laboratorio de Ingeniería de Materiales Funcionales de la Universidad Tecnológica de Toyohashi ha desarrollado un novedoso fotoelectrodo de alto rendimiento mediante la construcción de una matriz de nanopagodas de óxido de zinc con una forma única sobre un electrodo transparente y aplicando nanopartículas de plata en su superficie.
La nanopagoda de óxido de zinc se caracteriza por tener muchas estructuras escalonadas, ya que comprende pilas de prismas hexagonales de diferentes tamaños. Además, presenta muy pocos defectos cristalinos y una excelente conductividad electrónica. Al decorar su superficie con nanopartículas de plata, el fotoelectrodo de matriz de nanopagoda de óxido de zinc adquiere propiedades de absorción de luz visible, lo que le permite funcionar bajo la irradiación de la luz solar.
Se espera que la división fotoelectroquímica del agua utilizando la luz solar se utilice como tecnología para producir energía limpia en forma de hidrógeno. Como materiales clave para esta tecnología, los fotoelectrodos deben tener un sobrepotencial bajo contra las reacciones de división del agua, además de una alta absorción solar y eficiencias de transferencia de carga.
Para una aplicabilidad práctica, esta tecnología no puede utilizar metales raros como materiales primarios y el proceso de fabricación debe industrializarse; sin embargo, aún no se han desarrollado materiales que satisfagan estos requisitos.
En consecuencia, el equipo de investigación se centró únicamente en la matriz de nanopagodas de óxido de zinc, ya que dichas matrices son económicas de producir, presentan una alta conductividad electrónica y no son vulnerables al agotamiento de la materia prima. Inicialmente, las matrices de nanopagodas de óxido de zinc se consideraban difíciles de fabricar con buena reproducibilidad.
Dirigido por Marwa Abouelela, estudiante de doctorado de tercer año y autora principal del artículo publicado en Electrochemistry Communications. —El equipo primero optimizó el proceso de síntesis para garantizar una alta reproducibilidad. Cuando se evaluaron las propiedades fotoelectroquímicas del fotoelectrodo obtenido, se observó que emergía una fotocorriente relativamente grande bajo pseudoirradiación de luz solar.
Además de la alta eficiencia de transferencia de carga asociada con la baja densidad de defectos y la alta actividad de reacción química superficial en muchos pasos, un análisis de campo electromagnético ha revelado que la nanoestructura única de la nanopagoda puede capturar eficientemente los rayos ultravioleta contenidos en la luz incidente.
Para garantizar la utilización efectiva de la luz visible, que representa el 55% de la luz solar, el equipo de investigación mejoró aún más las propiedades fotoelectroquímicas decorando la superficie de la nanopagoda de óxido de zinc con nanopartículas de plata que exhiben resonancia de plasmón superficial localizada, aumentando la fotocorriente aproximadamente 1,5 veces. .
El espectro de acción del valor de la fotocorriente indica que esta mejora se atribuye principalmente a la transferencia de electrones calientes causada por la absorción de luz visible por la resonancia de plasmón superficial localizada de las nanopartículas de plata. Al optimizar la aplicación de nanopartículas de plata, fue posible mejorar únicamente las propiedades fotoelectroquímicas y al mismo tiempo prevenir efectos adversos en las propiedades de la propia nanopagoda.
El profesor asociado Go Kawamura, uno de los autores correspondientes, dijo:"Se consideraron las nanopagodas de óxido de zinc para su aplicación únicamente en emisores de cañones de electrones, utilizando su alta eficiencia de transferencia de carga. Sin embargo, debido a que la estructura tiene muchos pasos, nuestra idea inicial fue que es altamente activo contra reacciones químicas superficiales y puede ser adecuado para catalizar reacciones fotoelectroquímicas."
"Después de haber logrado fabricar la nanopagoda, nuestro objetivo fue mejorar la eficiencia de la utilización de la luz solar mediante la aplicación de nanopartículas de plata que exhiben resonancia de plasmón superficial localizada, y evaluamos el efecto mediante análisis de campo electromagnético; sin embargo, se encontró que la nanopagoda de óxido de zinc captura la luz incidente. , especialmente rayos ultravioleta, en su interior. Aunque esto fue completamente inesperado, fue un descubrimiento afortunado, ya que esta propiedad contribuye a la mejora de las propiedades fotoelectroquímicas."
Actualmente, Marwa y estudiantes del mismo laboratorio lideran una investigación sobre el efecto del control estructural preciso de nanopagodas de óxido de zinc, así como de la decoración superficial con otros materiales, sobre las propiedades fotoelectroquímicas de dichas pagodas. Debido a que el óxido de zinc es propenso a la fotocorrosión, no puede resistir la irradiación solar prolongada por sí solo, lo que nos lleva a centrarnos en mejorar la durabilidad mediante la decoración de superficies.
Una vez que se alcancen altas propiedades fotoelectroquímicas y durabilidad, el equipo planea llevar a cabo la producción de hidrógeno mediante división del agua en un entorno real (descomposición del agua de río o de mar por la luz solar).
Más información: Marwa Mohamed Abouelela et al, Nanopartículas de Ag decoradas con nanopagodas de ZnO para aplicaciones fotoelectroquímicas, Comunicaciones electroquímicas (2023). DOI:10.1016/j.elecom.2023.107645
Información de la revista: Comunicaciones electroquímicas
Proporcionado por la Universidad Tecnológica de Toyohashi
