Hidrógeno verde: el "óxido" como fotoánodo y sus límites
"Con este nuevo enfoque, hemos añadido una poderosa herramienta a nuestro arsenal que nos permite identificar el potencial realizable de los materiales fotoelectrodos"
Los óxidos metálicos, como el óxido, son materiales fotoelectrodos intrigantes para la producción de hidrógeno verde con luz solar. Son baratos y abundantes, pero a pesar de décadas de investigación, los avances han sido limitados. Un equipo del HZB, junto con socios de la Universidad Ben Gurion y el Technion de Israel, ha analizado ahora las propiedades optoelectrónicas del óxido (hematita) y otros óxidos metálicos con un detalle sin precedentes. Sus resultados demuestran que la eficacia máxima alcanzable de los electrodos de hematites es significativamente menor de lo que se suponía hasta ahora. El estudio demuestra cómo evaluar los nuevos materiales de los fotoelectrodos de forma más realista.
El óxido sería un material fotoelectrodo extremadamente barato y estable para producir hidrógeno verde con luz. Pero su eficacia es limitada. La imagen TEM muestra un fotoánodo que contiene una fina capa fotoactiva de óxido.
© Technion
El hidrógeno será necesario en grandes cantidades como portador de energía y materia prima en el sistema energético del futuro. Sin embargo, para conseguirlo, el hidrógeno debe producirse de forma neutra para el clima, por ejemplo mediante la llamada fotoelectrolisis, utilizando la luz solar para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno. Como fotoelectrodos, se necesitan materiales semiconductores que conviertan la luz solar en electricidad y permanezcan estables en el agua. Los óxidos metálicos están entre los mejores candidatos a fotoelectrodos estables y baratos. Algunos de estos óxidos metálicos también tienen superficies catalíticamente activas que aceleran la formación de hidrógeno en el cátodo o de oxígeno en el ánodo.
¿Por qué el óxido no es mucho mejor?
La investigación se ha centrado durante mucho tiempo en la hematita (α-Fe2O3), que es ampliamente conocida como óxido. La hematita es estable en el agua, extremadamente barata y muy adecuada como fotoánodo con una actividad catalítica demostrada para la evolución del oxígeno. Aunque la investigación sobre los fotoánodos de hematita lleva unos 50 años, la eficiencia de conversión de la fotocorriente es inferior al 50% del valor máximo teórico. En comparación, la eficiencia de la fotocorriente del material semiconductor silicio, que ahora domina casi el 90% del mercado fotovoltaico, es de aproximadamente el 90% del valor máximo teórico.
Los científicos llevan mucho tiempo dándole vueltas a esto. ¿Qué es exactamente lo que se ha pasado por alto? ¿Cuál es la razón por la que sólo se han conseguido modestos aumentos de eficiencia?
Un equipo israelí-alemán resuelve el rompecabezas
Sin embargo, en un reciente estudio publicado en Nature Materials, un equipo dirigido por el Dr. Daniel Grave (Universidad Ben Gurion), el Dr. Dennis Friedrich (HZB) y el Prof. Dr. Avner Rothschild (Technion) ha aportado una explicación de por qué la hematites está tan lejos del valor máximo calculado. El grupo del Technion investigó cómo la longitud de onda de la luz absorbida en las películas delgadas de hematita afecta a las propiedades fotoelectroquímicas, mientras que el equipo del HZB determinó las propiedades de los portadores de carga dependientes de la longitud de onda en las películas delgadas de óxido con mediciones de microondas resueltas en el tiempo.
Propiedades físicas fundamentales extraídas
Al combinar sus resultados, los investigadores lograron extraer una propiedad física fundamental del material que generalmente se había descuidado al considerar los absorbentes solares inorgánicos: El espectro de rendimiento de la fotogeneración. "A grandes rasgos, esto significa que sólo una parte de la energía de la luz absorbida por la hematites genera portadores de carga móviles, el resto genera estados excitados más bien localizados y, por tanto, se pierde", explica Grave.
El óxido no mejorará mucho
"Este nuevo enfoque proporciona una visión experimental de la interacción luz-materia en la hematites y permite distinguir su espectro de absorción óptica en absorción productiva y absorción no productiva", explica Rothschild. "Pudimos demostrar que el límite superior efectivo de la eficiencia de conversión de los fotoánodos de hematites es significativamente menor que el esperado sobre la base de la absorción por encima de la brecha de banda", dice Grave. Según el nuevo cálculo, los fotoánodos de hematites "campeones" de la actualidad ya se han acercado bastante al máximo teóricamente posible. Así que no hay nada mejor que eso.
Evaluación de nuevos materiales fotoelectrodos
El enfoque también se ha aplicado con éxito al TiO2, un material modelo, y al BiVO4, que es actualmente el material de fotoánodos de óxido metálico con mejor rendimiento. "Con este nuevo enfoque, hemos añadido una poderosa herramienta a nuestro arsenal que nos permite identificar el potencial realizable de los materiales fotoelectrodos. Si lo aplicamos a nuevos materiales, esperamos acelerar el descubrimiento y el desarrollo del fotoelectrodo ideal para la división del agua por energía solar. También nos permitiría "fallar rápidamente", lo que podría ser igual de importante a la hora de desarrollar nuevos materiales absorbentes", afirma Friedrich.
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Publicación original
Daniel A. Grave, David S. Ellis, Yifat Piekner, Moritz Kölbach, Hen Dotan, Asaf Kay, Patrick Schnell, Roel van de Krol, Fatwa F. Abdi, Dennis Friedrich and Avner Rothschild; "Extraction of mobile charge carrier photogeneration yield spectrum of ultrathin-film metal oxide photoanodes for solar water splitting"; Nature Materials; 2021
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