¡Eureka! Descubren el dispositivo ideal para producir hidrógeno limpio

Hace tres años, científicos de la Universidad de Michigan descubrieron un dispositivo de fotosíntesis artificial hecho de silicio y nitruro de galio (Si / GaN) que aprovecha la luz solar en hidrógeno libre de carbono para celdas de combustible con el doble de eficiencia y estabilidad que algunas tecnologías anteriores.

Ahora, los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía (DOE), en colaboración con la Universidad de Michigan y el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL), han descubierto una propiedad sorprendente y auto-mejorable en Si / GaN que contribuye al rendimiento altamente eficiente y estable del material para convertir la luz y el agua en hidrógeno libre de carbono.

Sus hallazgos, publicados en la revista Nature Materials , podrían ayudar a acelerar radicalmente la comercialización de tecnologías de fotosíntesis artificial y celdas de combustible de hidrógeno.

"Nuestro descubrimiento es un verdadero cambio de juego", dijo la autora principal Francesca Toma, científica de la División de Ciencias Químicas del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab). Por lo general, los materiales en los sistemas de combustibles solares se degradan, se vuelven menos estables y, por lo tanto, producen hidrógeno de manera menos eficiente, dijo. “Pero descubrimos una propiedad inusual en Si / GaN que de alguna manera le permite volverse más eficiente y estable. Nunca había visto tanta estabilidad".

Los materiales de fotosíntesis artificial anteriores son excelentes absorbentes de luz que carecen de durabilidad; o son materiales duraderos que carecen de eficiencia de absorción de luz.

Pero el silicio y el nitruro de galio son materiales abundantes y baratos que se utilizan ampliamente como semiconductores en la electrónica cotidiana, como los LED (diodos emisores de luz) y las células solares, dijo el coautor Zetian Mi, profesor de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Michigan, quien inventó los dispositivos de fotosíntesis artificial de Si / GaN hace una década.

Cuando el dispositivo de Si / GaN logró una eficiencia récord de 3 por ciento de solar a hidrógeno, Mi se preguntó cómo esos materiales ordinarios podrían funcionar tan extraordinariamente en un dispositivo de fotosíntesis artificial exótico, por lo que recurrió a Toma en busca de ayuda.

HydroGEN

Mi había aprendido de la experiencia de Toma en técnicas avanzadas de microscopía para probar las propiedades de nanoescala (mil millonésimas de metro) de materiales de fotosíntesis artificial a través de HydroGEN , un consorcio de laboratorios de cinco países apoyado por la Oficina de Tecnologías de Hidrógeno y Celdas de Combustible del DOE y dirigido por el Laboratorio Nacional de Energía Renovable para facilitar las colaboraciones entre los Laboratorios Nacionales, la academia y la industria para el desarrollo de materiales avanzados para la división del agua.

"Estas interacciones de apoyo a la industria y la academia en materiales avanzados de separación de agua con las capacidades de los laboratorios nacionales son precisamente la razón por la que se formó HydroGEN, para que podamos mover la aguja hacia la tecnología de producción de hidrógeno limpio", dijo Adam Weber, responsable del programa del laboratorio de tecnologías de pila de combustible y codirector adjunto de HydroGEN.

Toma y el autor principal Guosong Zeng, un becario postdoctoral en la División de Ciencias Químicas del Laboratorio de Berkeley, sospecharon que GaN podría estar desempeñando un papel en el potencial inusual del dispositivo para la eficiencia y estabilidad de la producción de hidrógeno.

Para averiguarlo, Zeng llevó a cabo un experimento de microscopía de fuerza atómica fotoconductora en el laboratorio de Toma para probar cómo los fotocátodos de GaN podían convertir eficientemente los fotones absorbidos en electrones, y luego reclutar esos electrones libres para dividir el agua en hidrógeno, antes de que el material comenzara a degradarse y volverse menos. estable y eficiente.

Esperaban ver una fuerte disminución en la eficiencia y estabilidad de absorción de fotones del material después de unas pocas horas. Para su asombro, observaron una mejora de 2-3 órdenes de magnitud en la fotocorriente del material proveniente de pequeñas facetas a lo largo de la "pared lateral" del grano de GaN, dijo Zeng. Aún más desconcertante fue que el material había aumentado su eficiencia con el tiempo, a pesar de que la superficie general del material no cambió tanto, dijo Zeng. “En otras palabras, en lugar de empeorar, el material mejoró”, dijo.

Para recopilar más pistas, los investigadores reclutaron microscopía electrónica de transmisión de barrido (STEM) en el Centro Nacional de Microscopía Electrónica en Berkeley Lab, y también espectroscopía de fotones de rayos X dependiente del ángulo (XPS).

Esos experimentos revelaron que una capa de 1 nanómetro mezclada con galio, nitrógeno y oxígeno, u oxinitruro de galio, se había formado a lo largo de algunas de las paredes laterales. Se había producido una reacción química, añadiendo "sitios catalíticos activos para reacciones de producción de hidrógeno", dijo Toma.

Las simulaciones de la teoría funcional de la densidad (DFT) llevadas a cabo por los coautores Tadashi Ogitsu y Tuan Anh Pham en LLNL confirmaron sus observaciones. “Al calcular el cambio de distribución de especies químicas en partes específicas de la superficie del material, encontramos con éxito una estructura de superficie que se correlaciona con el desarrollo de oxinitruro de galio como un sitio de reacción de evolución de hidrógeno”, dijo Ogitsu. "Esperamos que nuestros hallazgos y enfoque, una colaboración teórica-experimentales estrechamente integrada habilitada por el consorcio HydroGEN, se utilicen para mejorar aún más las tecnologías de producción de hidrógeno renovable".

Mi agregó: “Hemos estado trabajando en este material durante más de 10 años; sabemos que es estable y eficiente. Pero esta colaboración ayudó a identificar los mecanismos fundamentales detrás de por qué se vuelve más robusto y eficiente en lugar de degradarse. Los hallazgos de este trabajo nos ayudarán a construir dispositivos de fotosíntesis artificial más eficientes a un costo menor ”.

De cara al futuro, Toma dijo que a ella y a su equipo les gustaría probar el fotocátodo de Si / GaN en una celda fotoelectroquímica de división de agua, y que Zeng experimentará con materiales similares para comprender mejor cómo los nitruros contribuyen a la estabilidad en dispositivos de fotosíntesis artificial. - que es algo que nunca pensaron que sería posible.

"Fue totalmente sorprendente", dijo Zeng. “No tenía sentido, pero los cálculos de DFT de Pham nos dieron la explicación que necesitábamos para validar nuestras observaciones. Nuestros hallazgos nos ayudarán a diseñar dispositivos de fotosíntesis artificial aún mejores".