Impulso revolucionario para el combustible de energía solar fabricado mediante la división del agua

Los científicos utilizaron computadoras y microscopios para encontrar una forma de aumentar potencialmente el rendimiento de los dispositivos para usar el sol para dividir el agua y crear hidrógeno como combustible sostenible. Crédito: Ilustración de Peter Allen

La investigación de la Escuela de Ingeniería Molecular Pritzker podría ayudar a que el hidrógeno sea un combustible útil y sostenible.

El hidrógeno es un combustible increíblemente poderoso y los ingredientes están en todas partes: en agua pura. A los investigadores les encantaría poder utilizarlo ampliamente como fuente de energía limpia y sostenible.

Sin embargo, un problema es que se requiere una cantidad considerable de energía para dividir el agua y producir hidrógeno. Por lo tanto, los científicos han estado trabajando en la fabricación de materiales para fotoelectrodos que pueden usar energía solar para dividir el agua, creando un “combustible solar” que se puede almacenar para su uso posterior.

Científicos con el Universidad de Chicago, la Universidad de Wisconsin-Madison y el Laboratorio Nacional Brookhaven publicaron un nuevo avance en la fabricación de tales fotoelectrodos. Su investigación, reportada en Energía de la naturaleza el 18 de febrero de 2021, demuestra que la modificación de la capa superior de átomos en la superficie de los electrodos puede mejorar significativamente su rendimiento.

“Nuestros resultados son cruciales tanto para comprender como para mejorar los fotoelectrodos utilizados en la producción de combustible solar”, dijo Giulia Galli, profesora de Ingeniería Molecular de la Familia Liew y profesora de Química en UChicago, científica principal del Laboratorio Nacional Argonne y coautora correspondiente del artículo. .

“Cada mejora que hacemos nos acerca a la promesa de un combustible futuro sostenible”, agregó el coautor correspondiente Kyoung-Shin Choi, profesor de química en la Universidad de Wisconsin-Madison.

Galli y Choi son líderes teóricos y experimentales en el campo de los combustibles solares, respectivamente, y han estado colaborando durante varios años para diseñar y optimizar fotoelectrodos para la producción de combustibles solares. Para comprender los efectos de la composición de la superficie de los electrodos, se unieron al alumno de UChicago Mingzhao Liu, MS’03, PhD’07, científico del personal del Centro de Nanomateriales Funcionales del Laboratorio Nacional de Brookhaven.

Un fotoelectrodo funciona absorbiendo energía de la luz solar, lo que genera un potencial eléctrico y una corriente que puede dividir el agua en oxígeno e hidrógeno.

El equipo investigó un material fotoelectrodo llamado vanadato de bismuto, que es prometedor porque absorbe fuertemente la luz solar en un rango de longitudes de onda y permanece relativamente estable en el agua. En particular, querían investigar la superficie del electrodo. “Las propiedades de los materiales a granel se han estudiado ampliamente; sin embargo, el impacto de la superficie en la división del agua ha sido un desafío de establecer ”, explicó Liu, coautor correspondiente del artículo.

“Cada mejora que hacemos nos acerca a la promesa de un combustible futuro sostenible”.

– Kyoung-Shin Choi, profesor de química en la Universidad de Wisconsin-Madison

En Brookhaven, Liu y el estudiante de posgrado Chenyu Zhou habían perfeccionado un método para cultivar vanadato de bismuto como fotoelectrodo con una orientación y una estructura de superficie bien definidas. “Sin embargo”, dijo Zhou, “sabíamos que nuestro fotoelectrodo tenía un poco más de vanadio que bismuto en la superficie”. El grupo quería saber si una versión más rica en bismuto tendría un mejor rendimiento.

En UW-Madison, Choi y el estudiante de posgrado Dongho Lee encontraron una manera de cambiar la composición de la superficie sin alterar la composición del resto del electrodo, y fabricaron una muestra con más átomos de bismuto en la superficie.

Para comprender a nivel molecular lo que estaba sucediendo, se examinaron las dos composiciones superficiales diferentes utilizando instrumentos especiales en el Centro de Nanomateriales Funcionales, incluida la microscopía de túnel de barrido. Wennie Wang, un becario postdoctoral en el grupo Galli, comparó imágenes de microscopía experimentales y simuladas e identificó los modelos de estructura de superficie que imitaban de cerca las muestras experimentales.

“Nuestros cálculos de la mecánica cuántica proporcionaron una gran cantidad de información, incluidas las propiedades electrónicas de la superficie y las posiciones exactas de los átomos”, dijo Wang. “Esta información resultó ser fundamental para interpretar los experimentos”.

A continuación, el equipo comparó lo que sucedió cuando la luz golpeó las superficies. Descubrieron que las superficies con un exceso de átomos de bismuto son más favorables para las reacciones de división del agua.

“Cuando el vanadato de bismuto absorbe luz, genera electrones y huecos de electrones llamados huecos”, dijo Lee. “Lo que encontramos es que la superficie terminada en bismuto eleva los electrones a una energía más alta y también conduce a una separación más eficiente de los electrones de los agujeros; en general, tener más átomos de bismuto en la superficie favorece las reacciones de división del agua”.

“Nuestras investigaciones experimentales y teóricas estrechamente integradas fueron vitales para obtener una comprensión a nivel atómico de cómo la modificación de la superficie puede cambiar las propiedades de un fotoelectrodo”, dijo Choi.

“Nuestra colaboración financiada por la National Science Foundation ha sido extremadamente fructífera”, agregó Galli.

A continuación, los investigadores explorarán cómo los fotoelectrodos de vanadato de bismuto interactúan con una capa de catalizador que se aplica en la parte superior de la superficie del fotoelectrodo para facilitar la oxidación del agua.

“Creemos que los resultados obtenidos de nuestro estudio servirán como base esencial para estudios futuros”, dijo Liu.

“Identificamos una pieza importante del complejo rompecabezas de la división del agua y esperamos continuar explorando formas de mejorar la producción de combustible solar como una alternativa sostenible a los combustibles fósiles”, agregó Galli.

Referencia: “El impacto de la composición de la superficie en las propiedades energéticas y fotoelectroquímicas de la interfaz de BiVO₄”Por Dongho Lee, Wennie Wang, Chenyu Zhou, Xiao Tong, Mingzhao Liu, Giulia Galli y Kyoung-Shin Choi, 18 de febrero de 2021, Energía de la naturaleza.
DOI: 10.1038 / s41560-021-00777-x

Este trabajo fue financiado por la National Science Foundation y utilizó recursos computacionales del Research Computing Center de la Universidad de Chicago. El trabajo en Brookhaven se llevó a cabo en las Instalaciones de Usuario de Sondas Proximales y Síntesis y Caracterización de Materiales y fue financiado por la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía.