14.06.2022 - King Abdullah University of Science and Technology (KAUST)

Los divisores de agua orgánicos reciben un impulso

Un fotocatalizador de nanopartículas puede generar hidrógeno a partir del agua con más eficacia que sus homólogos inorgánicos estándar de semiconductores

Los fotocatalizadores basados en semiconductores orgánicos concebidos por un equipo dirigido por la KAUST podrían facilitar la generación de hidrógeno a partir del agua utilizando la luz solar.

La luz solar es la fuente de energía renovable más abundante, pero su incapacidad para producir niveles de energía constantes a lo largo del tiempo hace que no pueda satisfacer las necesidades energéticas a la carta. Una opción prometedora es almacenar la energía solar como combustible limpio de hidrógeno, derivado del agua mediante la llamada reacción de evolución del hidrógeno en presencia de un catalizador que responda a la luz.

La mayoría de los fotocatalizadores de evolución del hidrógeno consisten en semiconductores inorgánicos, como el dióxido de titanio, que absorben casi exclusivamente la luz ultravioleta. Pero como la luz ultravioleta representa menos del cinco por ciento del espectro solar, los fotocatalizadores resultantes no son lo suficientemente eficaces para su uso comercial.

Un equipo internacional dirigido por Iain McCulloch y el postdoctorado Jan Kosco pudo desarrollar fotocatalizadores orgánicos basados en semiconductores porque pudieron ajustar los intervalos de banda de los semiconductores -que definen la gama de longitudes de onda de absorción- para absorber la luz visible.

"En igualdad de condiciones, cuanta más luz absorba un fotocatalizador, más eficazmente podrá convertir la energía solar en hidrógeno", explica Kosco. "Así que es importante desarrollar fotocatalizadores que sean activos en una amplia gama de longitudes de onda ultravioleta-visible-infrarroja para maximizar la absorción de la luz".

Cuando se exponen a la luz, los fotocatalizadores basados en semiconductores generan pares de electrones y huecos con carga positiva, o excitones, que se disocian en cargas libres que posteriormente pueden migrar a la superficie del fotocatalizador e impulsar la evolución del hidrógeno. Sin embargo, los excitones están fuertemente ligados en los semiconductores orgánicos típicos de un solo componente, lo que limita la separación de cargas y la eficacia fotocatalítica.

Los investigadores combinaron materiales semiconductores donantes y receptores de electrones para formar nanopartículas, conocidas como fotocatalizadores de heterounión, cuya configuración global de banda prohibida favorece la disociación de excitones en la interfaz del semiconductor.

"Esto es análogo a la heterojunción a granel utilizada en las células solares orgánicas", afirma Kosco. "Por tanto, generamos más cargas en estas nanopartículas que en las compuestas por semiconductores individuales, lo que mejoró la producción de hidrógeno".

Inesperadamente, la heterounión dio lugar a cargas fotogeneradas de muy larga duración en las nanopartículas.

"Las cargas suelen recombinarse en la escala de tiempo de microsegundos, pero observamos cargas en nuestras nanopartículas incluso unos segundos después de la fotoexcitación, lo que es excepcionalmente largo para las cargas fotogeneradas en semiconductores orgánicos", afirma Kosco. Esto es fundamental para el rendimiento del catalizador porque da más tiempo a las cargas para participar en reacciones redox relativamente lentas en la superficie de las nanopartículas, añade.

El equipo está estudiando ahora cómo aplicar los nuevos fotocatalizadores a los esquemas Z de división del agua, en los que los fotocatalizadores de evolución del hidrógeno y el oxígeno se acoplan para impulsar simultáneamente la producción de hidrógeno y oxígeno. También están desarrollando fotocatalizadores semiconductores orgánicos para la evolución del oxígeno.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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