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Dispositivos fotosintéticos artificiales que se mejoran con el uso

05 de abril de 2021

(Noticias de NanwerkEn un descubrimiento que podría ayudar a hacer de la fotosíntesis artificial una forma práctica de producir combustible de hidrógeno, los investigadores han explorado por qué un separador de agua hecho de materiales económicos e inesperadamente abundantes aumentó en eficiencia durante su uso.

Los investigadores dicen que una nueva comprensión de este mecanismo podría acelerar radicalmente la comercialización de tecnologías que convierten la luz y el agua en combustibles de hidrógeno libres de carbono.

Descubrimos una propiedad inusual en el material que lo hace más eficiente y estable. Francesca Touma, científica del Departamento de Ciencias Químicas del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y autora principal del artículo sobre Materiales de la naturaleza (Desarrollo de un cátodo fotoeléctrico de Si / GaN autooptimizable para una H eficiente y duradera2 Producción”). Dirigió el estudio, incluidos colaboradores de la Universidad de Michigan y el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore. ?? Nuestro descubrimiento es un verdadero cambio de juego. Nunca antes había visto tanta estabilidad. ?? Guosong Zeng, investigador postdoctoral, y Francesca Toma, científica del equipo, ambos trabajan en el departamento de ciencias químicas del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley. Guosong Zeng, un científico postdoctoral, y Francesca Toma, un científico de la facultad, ambos en el Departamento de Ciencias Químicas del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, probaron un dispositivo de fotosíntesis artificial desarrollado por Zetian Mi, profesor de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Michigan. . En lugar de degradarse con el tiempo, como es típico en los dispositivos que convierten el agua y la luz en combustible de hidrógeno, este dispositivo mejora. (Imagen: Berkeley Lab)

Su grupo estudió el dispositivo de fotosíntesis artificial inventado por Zetian Mi, profesor de ingeniería eléctrica e informática en la UM. El dispositivo incluye un bosque de nanocables de nitruro de galio, un semiconductor económico muy utilizado en la electrónica diaria. Hace tres años, Mi demostró multiplicar la eficiencia y estabilidad de tecnologías anteriores utilizadas para generar hidrógeno directamente a partir de agua dulce o agua de mar y luz.

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?? La plataforma única que hemos desarrollado durante la última década no solo es adecuada para la producción de hidrógeno solar, sino que se ha utilizado de manera muy eficaz para convertir el dióxido de carbono en productos químicos y combustibles limpios, como metano, metanol, ácido fórmico y gas de síntesis. Mi dijo. ?? Pero lo que más me asombra es su estabilidad en los múltiples estudios que hemos realizado nosotros y nuestros colaboradores. ??

Para descubrir cómo estos materiales ordinarios lograron estos resultados sobresalientes, Mai recurrió a Toma por su experiencia en el examen de las propiedades a nanoescala de materiales fotosintéticos artificiales utilizando microscopía avanzada. Thomas y el autor principal Guosong Zeng, investigador postdoctoral en el Departamento de Ciencias Químicas del Laboratorio de Berkeley, sospecharon que el nitruro de galio podría desempeñar un papel.

Zeng probó qué tan eficiente era este dispositivo para absorber fotones de luz, convertirlos en electrones y luego usar esos electrones libres para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno. Por lo general, la eficiencia de un aparato fotosintético artificial cae drásticamente después de solo unas pocas horas cuando el material comienza a degradarse. Sin embargo, para sorpresa del equipo, el material comenzó a producir más electrones libres y también mejoró su reclutamiento para dividir el agua, lo que aumentó la eficiencia.

?? En otras palabras, en lugar de que el material empeore, ?? Dijo Zeng.

Para recopilar más pistas, el grupo de Toma utilizó microscopía electrónica de transmisión y una técnica llamada espectroscopía de fotones de rayos X basada en ángulos para explorar el material. Esto reveló que el nanómetro superior de nitruro de galio había absorbido parte del oxígeno, lo que llevó a la creación de más sitios para la producción de hidrógeno en la superficie del material, explicó Touma. Esta sustancia se llama oxinitruro de galio.

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Las simulaciones por computadora realizadas por los coautores Tadashi Ojitsu y Tuan Anh Fam en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore confirmaron sus observaciones.

Al calcular el cambio en la distribución de especies químicas en ciertas partes de la superficie del material, logramos encontrar una estructura de superficie asociada con el desarrollo de oxinitruro de galio como un sitio activo, ?? Dijo Ogitsu.

“La colaboración ayudó a definir los mecanismos básicos detrás de hacer estos materiales más robustos y eficientes en lugar de ofender. Los resultados de este trabajo nos ayudarán a diseñar y construir dispositivos de fotosíntesis artificial más eficientes a un costo menor”, agregó Mai.

De cara al futuro, Touma dijo que ella y su equipo quieren probar silicio y nitruro de galio en una celda fotoelectroquímica integrada que divide el agua. Zeng realizará experimentos con materiales similares para comprender mejor cómo los nitruros contribuyen a la estabilización de sistemas fotosintéticos artificiales.