Nuovi fotocatalizzatori ibridi per la scissione dell'acqua con un'efficienza quantica interna superiore al 100%.

5 maggio 2023 caratteristica

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di Ingrid Fadelli, Tech Xplore

Poiché l'idrogeno all'interno delle celle a combustibile è in grado di generare energia elettrica, metodi scalabili per la suddivisione affidabile dell'acqua in idrogeno ed ossigeno potrebbero avere importanti implicazioni per l'industria energetica. Tali metodi potrebbero contribuire a produrre grandi quantità di idrogeno per soluzioni energetiche più sostenibili, aiutando a ridurre le emissioni di gas a effetto serra sulla Terra.

Un approccio per suddividere le molecole d'acqua in idrogeno ed ossigeno richiede l'utilizzo di fotocatalizzatori, materiali in grado di assorbire la luce e utilizzarne l'energia per avviare reazioni chimiche. Questo approccio consiste essenzialmente nell'irradiare tali materiali con luce, innescando la reazione attraverso la quale le molecole d'acqua diventano idrogeno ed ossigeno.

Ricercatori presso la Northwestern Polytechnical University in Cina hanno recentemente introdotto nuovi fotocatalizzatori ibridi che presentano un eccezionale tasso di efficienza quantistica interna superiore al 100%. Questi materiali, presentati in un articolo su Nature Energy, sono stati trovati in grado di superare alcune delle limitazioni dei sistemi fotocatalitici precedentemente proposti per i processi di suddivisione dell'acqua.

'Negli ultimi dieci anni, i ricercatori hanno effettuato numerosi tentativi per ottenere un'efficienza solare-idrogeno di oltre il 10%, che rappresenta un'efficienza di riferimento competitiva nel mercato dell'idrogeno,' ha detto a Tech Xplore il dottor Xuanhua Li, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio.

'Per raggiungere questo obiettivo, l'efficienza quantistica interna (il rapporto tra il numero di fotoni incidenti assorbiti e il doppio della quantità di idrogeno prodotto) del fotocatalizzatore durante la reazione di suddivisione fotocatalitica dell'acqua deve raggiungere un valore moderatamente elevato (idealmente> 100%) su una vasta gamma di lunghezze d'onda di eccitazione.'

Diversi studi precedenti hanno cercato di ideare strategie utili per migliorare l'efficienza quantistica dei fotocatalizzatori e dei dispositivi fotoelettrici. La maggior parte delle efficienze riportate in precedenza erano insufficienti per consentire l'ampio utilizzo dei processi di suddivisione dell'acqua. Una strategia che si è rivelata particolarmente promettente si basa sull'effetto di generazione di eccitoni multipli (MEG), in cui un nanocristallo di punto quantistico assorbe un singolo fotone per generare eccitoni multipli.

'Ad esempio, uno studio ha mostrato che l'efficienza quantistica dei nanocristalli di piombo-sale aumenta approssimativamente in modo lineare con l'energia dei fotoni di pompaggio e presenta un'efficienza quantistica massima fino al 700%,' ha spiegato il dottor Li. 'Come mostrato in lavori precedenti, depositare i quantum dot PbS sulla parte superiore di FTO/TiO2 drogato al fluoro tramite un approccio strato su strato può ottenere un'efficienza quantistica interna che supera il 100% in celle fotoelettrochimiche per la generazione di idrogeno. Tuttavia, rispetto ai dispositivi fotoelettrici, le dimostrazioni dell'effetto MEG sono ancora limitate nei sistemi di suddivisione dell'acqua fotocatalitici particolari a causa del processo di aggiunta di energia elettrica all'energia dell'idrogeno.'

L'obiettivo chiave del lavoro recente del dottor Li e dei suoi colleghi era quello di progettare nuovi fotocatalizzatori per la suddivisione efficiente dell'acqua che utilizzassero l'effetto MEG. La loro speranza era che l'efficienza quantistica interna di questi materiali superasse il 100%, rendendoli una soluzione fattibile per la produzione scalabile di idrogeno.

Per costruire questi fotocatalizzatori efficienti, i ricercatori hanno dovuto costruire un forte campo elettrico interfaciale incorporato e uno stato di trappola interfaciale. Questo fornirebbe a sua volta una forza trainante sufficiente per utilizzare l'effetto di generazione di eccitoni multipli (MEG) nella suddivisione fotocatalitica dell'acqua.

'Abbiamo sviluppato fotocatalizzatori ibridi composti da quantum dot di CdTe e V-dopato In2S3 (CdTe/V-In2S3),' ha detto il dottor Li. 'In particolare, aumentare la dimensione del quantum dot e il contenuto di dopante V porta a un abbassamento del livello di Fermi del quantum dot di CdTe e ad un innalzamento di quello di V-In2S3, con conseguente aumento della differenza di livello di Fermi e quindi un aumento di 14,14 volte nell'intensità del campo elettrico interno incorporato all'interfaccia di CdTe/V-In2S3. Nel frattempo, è stato generato uno stato interfaciale composto dalle orbite In 5s e S 3p a livello di interfaccia di CdTe/V-In2S3.'

The excitation of a CdTe quantum dot in the team's photocatalyst during the photocatalytic process results in the generation of a hot electron and a hole. Driven by the materials' built-in electric field, the hot electron in the conduction band of the CdTe quantum dot is transported from CdTe to V-In2S3 and ultimately trapped at the CdTe/V-In2S3 interface, in an interfacial state made up of In 5s and S 3p orbitals.

'Unlike traditional photocatalyst, the strong built-in electric field and interfacial state at the CdTe/V-In2S3 interface slow the relaxation rate of the hot electrons, enabling hot electrons with sufficient excess energy to undergo MEG,' Dr. Li said. 'Ultimately, the photocatalyst exhibits an internal quantum efficiency of about 114% at an excitation wavelength of 350 nm, which to our knowledge is the highest value among reported photocatalysts for overall water splitting. Our optimization of the interfacial built-in electric field and interfacial state, paves a way for the effective utilization of MEG in photocatalytic water splitting.'

In initial evaluations, the hybrid photocatalysts designed by this team of researchers achieved very promising results, exhibiting higher internal quantum efficiencies than all previously proposed photocatalysts for water splitting. In the future, this recent work could pave the way for the large-scale implementation of photocatalytic water splitting.

The design strategy presented by Dr. Li and his colleagues also opens new possibilities for the design of photocatalytic devices that operate in the MEG regime. This could soon lead to the development of additional materials and solutions with increasingly high quantum and solar-to-hydrogen efficiencies, which could further promote the use of solar energy to produce hydrogen.

'It should be noted that the photocatalytic overall water splitting ability of CdTe/V-In2S3 might be limited by the competition for light absorption between V-In2S3 and the CdTe quantum dots,' Dr. Li added. 'Moreover, achieving high quantum efficiency over a wide range of wavelengths is crucial to1advancing the practicality of this technology. To further advance this research, we aim to develop more efficient photocatalysts with larger built-in electric field intensities and multiple valence band interfacial states, such as by constructing a Janus structure.'

In their next studies, Dr. Li and his colleagues also plan to create new non-MEG/MEG heterojunctions with a broad absorption range. By combining wavelength-complementary MEG components with non-MEG components, they hope to further improve the photocatalysts' overall performance.

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