Equipo de científicos del Instituto de Tecnología de Tokio (Tokio Tech), utilizo el mineral de Cobalto para crear el primer fotoelectroquímico de luz visible hecho de dióxido de titanio o TiO2
El enfoque propuesto es simple y representa un trampolín en la búsqueda para lograr una división del agua asequible para producir hidrógeno, una alternativa limpia al combustible fósil.
La división fotoelectroquímica del agua, un proceso mediante el cual, la energía de la luz es utilizada para dividir las moléculas de agua en hidrógeno (H2) y oxígeno (O2), es un enfoque prometedor para obtener hidrógeno puro para de esa manera sea utilizado como combustible limpio alternativo.
El proceso se lleva a cabo en celdas electroquímicas que contienen un ánodo y un cátodo sumergido en agua, que están conectados a través de un circuito externo. En el ánodo, se produce la oxidación del agua, por lo que el O2 se produce al extraer energía de las ondas de luz. Estas ondas transfieren energía a los electrones del material del ánodo, lo que les permite moverse a través del circuito externo para llegar al cátodo. Aquí, los electrones recibidos y el material de cátodo hace que se forme H2.
Según los científicos, hasta la fecha, ha sido difícil encontrar sistemas fotoelectroquímicos que lleven este proceso de manera eficiente debido a varias razones. El dióxido de titanio (TiO2), un material de fotoanodo bien conocido y ampliamente utilizado, solo puede absorber energía de la luz en la región ultravioleta; es decir, luz de alta energía. Debido a que sería preferible aprovechar la energía de la luz de longitud de onda más larga, el TiO2 se puede mezclar con metales nobles (como el oro o la plata) para sensibilizarlo a la luz visible, pero esto sería costoso en aplicaciones a gran escala.
Para encontrar una solución a este problema, un equipo de investigación de Tokyo Tech creó el primer fotoanodo de luz visible hecho de TiO2 mejorado con un material abundante en la tierra: el cobalto. Su estudio publicado en ACS Applied Materials & Interfaces explica el proceso sorprendentemente simple de fabricación de fotoanodes; delgada TiO2 películas se cultivan sobre un sustrato a través de un procedimiento estándar y después de cobalto se introduce por inmersión en una solución acuosa de nitrato de cobalto.
«Este estudio demuestra que se puede construir una célula fotoelectroquímica impulsada por la luz visible para la oxidación del agua mediante el uso de metales abundantes en la tierra sin la necesidad de procedimientos de preparación complicados», comenta el profesor Kazuhiko Maeda, quien dirigió la investigación.
Mediante múltiples tipos de análisis de espectrometría y microscopía electrónica de barrido, los investigadores identificaron la composición y estructura específicas de la superficie modificada con cobalto del fotoanodo de TiO2 para comprender cómo el cobalto permite que el material absorba la luz visible para movilizar electrones y causar la oxidación del agua.
Resulta que los dominios de cobalto no solo capturan luz visible y transfieren cargas (electrones) en la interfaz de TiO2, sino que también sirven como sitios catalíticos que facilitan la oxidación del agua.
Además, los investigadores descubrieron que la estructura de la película delgada de TiO2 afecta el rendimiento del fotoanodo modificado, presumiblemente al permitir el alojamiento de átomos de cobalto. La estructura de la película de TiO2 se puede ajustar fácilmente con los parámetros de fabricación, lo que permitió al equipo realizar múltiples pruebas para obtener información sobre este fenómeno.
El equipo de científicos, dice que todavía queda mucho trabajo por hacer, ya que será necesario optimizar aún más el diseño del fotoanodo para mejorar el proceso de transferencia de carga que ocurre entre los átomos de cobalto y el sustrato de TiO2 para lograr mayores tasas de oxidación del agua. Sin embargo, una ventaja importante del sistema de oxidación del agua propuesto es que no es sacrificatorio; en otras palabras, los materiales empleados no dependen de oxidantes y/o reductores ricos en energía (es decir, reactivos de sacrificio).
Figura 1. Mejora económica y fácil de los fotoanodos para la oxidación del agua
«Hasta ahora, los sistemas de fotooxidación de agua sensibilizados con cobalto habían estado compuestos de fotocatálisis a base de polvo, que funciona solo en presencia de un aceptor de electrones de sacrificio. Por lo tanto, el presente estudio también demuestra la separación de agua de luz visible sin reactivo de sacrificio utilizando un cobalto -sensibilizado material semiconductor (TiO2)», concluye el Prof. Maeda, uno de los autores principales del estudio.
Con suerte, este estudio servirá como un trampolín para todos aquellos que intentan lograr una división del agua asequible para garantizar un futuro más verde.
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