La conversión de energía solar en energía de hidrógeno representa una técnica verde y prometedora para abordar la escasez de energía y reducir las emisiones de combustibles fósiles. Un equipo de investigación de la Universidad de la Ciudad de Hong Kong (CityU) desarrolló recientemente un fotocatalizador de perovskita sin plomo que ofrece una conversión de energía solar en hidrógeno altamente eficiente.
Lo que es más importante, revelaron la dinámica interfacial de las interfaces sólido-sólido (entre moléculas de perovskita de haluro) y sólido-líquido (entre una perovskita de haluro y un electrolito) durante la producción fotoelectroquímica de hidrógeno. Los últimos hallazgos abren una vía para desarrollar un método solar más eficiente para producir combustible de hidrógeno en el futuro.
El hidrógeno se considera una alternativa de energía renovable mejor y más prometedora debido a su abundancia, alta densidad de energía y respeto al medio ambiente. Además de la división fotoelectroquímica del agua, otro método prometedor para producir hidrógeno es la división del ácido hidrohálico utilizando fotocatalizadores impulsados por energía solar. Pero la estabilidad a largo plazo de los fotocatalizadores es un desafío crítico, ya que la mayoría de los catalizadores fabricados con óxidos de metales de transición o metales son inestables en condiciones ácidas.
«Las perovskitas híbridas a base de plomo se utilizan para superar este problema de estabilidad, pero la alta solubilidad en agua y la toxicidad del plomo limitan su potencial para aplicaciones generalizadas», explicó el Dr. Sam Hsu Hsien-Yi, profesor asistente en la Escuela de Energía y Medio Ambiente y el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de CityU. «Por el contrario, se ha confirmado que las perovskitas a base de bismuto proporcionan una alternativa no tóxica y químicamente estable para las aplicaciones de combustible solar, pero es necesario mejorar la eficiencia fotocatalítica».
Motivados para diseñar un fotocatalizador eficiente y estable, el Dr. Hsu y sus colaboradores desarrollaron recientemente una perovskita de haluro a base de bismuto con una estructura de canalización de banda prohibida para un transporte de portadores de carga altamente eficiente. Es una perovskita de haluro mixto, en la que la distribución de iones de yoduro disminuye gradualmente desde la superficie hacia el interior, formando una estructura de embudo de banda prohibida, que promueve una transferencia de carga fotoinducida desde el interior a la superficie para una reacción redox fotocatalítica eficiente. . Esta perovskita de nuevo diseño tiene una alta eficiencia de conversión de energía solar, exhibiendo una tasa de generación de hidrógeno mejorada hasta aproximadamente 341 ± 61,7 µmol h−1 con un cocatalizador de platino bajo irradiación de luz visible. Los hallazgos fueron publicados hace medio año.
Pero el equipo del Dr. Hsu no se detuvo allí. «Queríamos explorar las interacciones dinámicas entre las moléculas de perovskita de haluro y las de la interfaz entre el fotoelectrodo y el electrolito, que seguían siendo desconocidas», dijo el Dr. Hsu. «Dado que la producción fotoelectroquímica de hidrógeno involucra un proceso catalítico, la generación de hidrógeno altamente efectiva se puede lograr mediante la absorción de luz intensa utilizando un semiconductor como fotocatalizador con una estructura de banda de energía adecuada y una separación de carga eficiente, facilitada por un campo eléctrico externo formado cerca del líquido semiconductor. interfaz.»
Para descubrir la dinámica de transferencia de excitones, el equipo utilizó fotoluminiscencia resuelta en el tiempo dependiente de la temperatura para analizar el transporte de energía de los pares electrón-hueco entre las moléculas de perovskita. También evaluaron el coeficiente de difusión y la constante de tasa de transferencia de electrones de los materiales de perovskita de haluro en la solución para ilustrar la eficacia del transporte de electrones a través de las interfaces sólido-líquido entre un fotoelectrodo basado en perovskita y el electrolito. «Demostramos cómo nuestro fotocatalizador de nuevo diseño puede lograr de manera efectiva la generación de hidrógeno fotoelectroquímico de alto rendimiento como resultado de una transferencia de carga eficiente», dijo el Dr. Hsu.
En el experimento, el equipo también demostró que las perovskitas de haluro estructurado canalizadas con banda prohibida tenían un proceso de transferencia y separación de carga más eficiente entre la interfaz del electrodo y el electrolito. La separación de carga mejorada puede impulsar la migración de los portadores de carga a la superficie de las perovskitas de haluro depositadas en los vidrios conductores como fotoelectrodo, lo que permite una actividad fotoelectroquímica más rápida en la superficie del fotoelectrodo. En consecuencia, la transferencia de carga efectiva dentro de las perovskitas de haluro estructuradas en embudo de banda prohibida exhibió una densidad de fotocorriente mejorada bajo irradiación de luz.
«Descubrir la dinámica interfacial de estos nuevos materiales durante el proceso de generación de hidrógeno fotoelectroquímico es un avance crucial», explicó el Dr. Hsu. «Una comprensión profunda de las interacciones interfaciales entre las perovskitas de haluro y los electrolitos líquidos puede construir una base científica para que los investigadores en este campo investiguen más a fondo el desarrollo de materiales alternativos y útiles para la producción de hidrógeno inducida por energía solar».
Los hallazgos fueron publicados en la revista científica Materiales avanzados, titulado «Desentrañando la dinámica interfacial del embudo de banda prohibida en perovskitas de haluro basadas en bismuto». El estudio de investigación fue seleccionado para aparecer en la contraportada interior de Materiales avanzados.
El autor correspondiente es el Dr. Hsu. Los coautores son el Dr. Tang Yunqi, quien se graduó del laboratorio del Dr. Sam Hsu el año pasado, y el Sr. Mak Chun-hong, estudiante de doctorado supervisado por el Dr. Hsu. Otros colaboradores incluyen al profesor Kai Ji-jung, el Dr. Zhao Shijun y el Sr. Zhang Jun, del Departamento de Ingeniería Mecánica de CityU.
La investigación fue apoyada financieramente por el Consejo de Subvenciones de Investigación de Hong Kong, la Comisión de Innovación y Tecnología, la Comisión de Ciencia, Tecnología e Innovación de Shenzhen y CityU.
