Los científicos han encontrado una manera de diseñar las propiedades químicas a escala atómica de un catalizador de división de agua para la integración con una célula solar, y el resultado es un gran impulso a la estabilidad y eficiencia de la fotosíntesis artificial.
Dirigido por investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía Berkeley Lab, el proyecto se describe en un artículo publicado esta semana en la revista Materiales de la naturaleza .
La investigación surge del Centro Conjunto para la Fotosíntesis Artificial JCAP, un Centro de Innovación Energética del DOE establecido en 2010 para desarrollar un método rentable de convertir la luz solar, el agua y el dióxido de carbono en combustible. JCAP está liderado por CaliforniaInstituto de Tecnología con Berkeley Lab como socio principal.
El objetivo de este estudio fue lograr un equilibrio cuidadoso entre las necesidades contradictorias de una conversión eficiente de energía y componentes electrónicos químicamente sensibles para desarrollar un sistema viable de fotosíntesis artificial para generar combustible limpio.
Logrando el equilibrio correcto
"Para que un fotosistema artificial sea viable, necesitamos poder hacerlo una vez, desplegarlo y hacer que dure 20 años o más sin repararlo", dijo el investigador principal del estudio Ian Sharp, jefe de materialesintegración e investigación científica de interfaces en JCAP.
El problema es que los entornos químicos activos necesarios para la fotosíntesis artificial son perjudiciales para los semiconductores utilizados para capturar la energía solar y alimentar el dispositivo.
"Las buenas capas de protección son densas y químicamente inactivas. Eso está completamente en desacuerdo con las características de un catalizador eficiente, que ayuda a dividir el agua para almacenar la energía de la luz en enlaces químicos", dijo Sharp, quien también es un científico del personalen la División de Ciencias Químicas de Berkeley Lab. "Los catalizadores más eficientes tienden a ser permeables y se transforman fácilmente de una fase a otra. Este tipo de materiales generalmente se considerarían malas opciones para proteger los componentes electrónicos".
Al diseñar una película atómicamente precisa para que pueda soportar reacciones químicas sin dañar los semiconductores sensibles, los investigadores lograron satisfacer necesidades contradictorias de fotosistemas artificiales.
"Esto entra en los aspectos clave de nuestro trabajo", dijo el autor principal del estudio Jinhui Yang, quien realizó el trabajo como investigador postdoctoral en JCAP. "Nos propusimos convertir el catalizador en una capa protectora que equilibra estas propiedades competidoras"."
Haciendo doble servicio
Los investigadores sabían que necesitaban un catalizador que no solo pudiera soportar reacciones químicas activas y eficientes, sino que también pudiera proporcionar una interfaz estable con el semiconductor, permitir que la carga generada por la absorción de luz del semiconductor se transfiera eficientemente alos sitios que realizan catálisis y permiten que pase tanta luz como sea posible.
Pasaron a una técnica de fabricación llamada deposición de capa atómica mejorada con plasma, realizada en la Fundición Molecular en Berkeley Lab. Este tipo de deposición de película delgada se utiliza en la industria de semiconductores para fabricar circuitos integrados.
"Esta técnica nos dio el nivel de precisión que necesitábamos para crear la película compuesta", dijo Yang. "Pudimos diseñar una capa muy delgada para proteger el semiconductor sensible, luego unirnos atómicamente a otra capa activa para llevar a cabo el catalizadorreacciones, todo en un solo proceso "
La primera capa de la película consistía en una forma nanocristalina de óxido de cobalto que proporcionaba una interfaz estable y físicamente robusta con el semiconductor que absorbe la luz. La otra capa era un material químicamente reactivo hecho de dihidróxido de cobalto.
"El diseño de este recubrimiento compuesto se inspiró en los avances recientes en el campo que han revelado cómo ocurren las reacciones de división del agua, a escala atómica, en los materiales. De esta manera, las ideas mecanicistas guían cómo hacer sistemas que tengan el funcionamientopropiedades que necesitamos ", dijo Sharp.
Usando esta configuración, los investigadores podrían ejecutar fotosistemas continuamente durante tres días, potencialmente más tiempo, cuando dichos sistemas normalmente fallarían en solo segundos.
"Un impacto importante de este trabajo es demostrar el valor del diseño de catalizadores para la integración con semiconductores", dijo Yang. "Usando una combinación de métodos espectroscópicos y electroquímicos, demostramos que estas películas pueden hacerse compactas y continuas en el nanómetroescala, minimizando así la absorción de luz parásita cuando se integra en la parte superior de semiconductores fotoactivos "
Los autores del estudio señalaron que si bien este es un hito importante, se necesitan muchos más pasos antes de que un fotosistema artificial comercialmente viable esté listo para el despliegue.
"En general, necesitamos saber más acerca de cómo fallan estos sistemas para poder identificar áreas a las que apuntar para futuras mejoras", dijo Sharp. "Comprender la degradación es una vía importante para hacer algo que sea estable durante décadas".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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