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Cada folha verde é capaz de converter energia solar em energia química, armazenando-a em compostos químicos. No entanto, um importante subprocesso da fotossíntese já pode ser imitado tecnicamente – a produção solar de hidrogênio: a luz solar gera uma corrente em um chamado fotoeletrodo que pode ser usado para dividir as moléculas de água. Isso produz hidrogênio, um combustível versátil que armazena energia solar em forma química e pode liberá-la quando necessário.
Fotoeletrodos com muitos talentos
No HZB Institute for Solar Fuels, muitas equipes estão trabalhando nessa visão. O foco de sua pesquisa é a produção de fotoeletrodos eficientes. Estes são semicondutores que permanecem estáveis em soluções aquosas e são altamente ativos: não só podem converter a luz solar em corrente elétrica, mas também podem atuar como catalisadores para acelerar a separação da água. Entre os melhores candidatos para fotoeletrodos baratos e eficientes está o vanadato de bismuto (BiVO4).
O que acontece quando está na água?
“Basicamente, sabemos que apenas pela imersão do vanadato de bismuto na solução aquosa, a composição química da superfície muda”, diz o Dr. David Starr do HZB Institute for Solar Fuels. E seu colega Dr. Marco Favaro acrescenta: “Embora existam muitos estudos sobre BiVO4não ficou claro até agora exatamente quais implicações isso tem nas propriedades eletrônicas da superfície quando elas entram em contato com as moléculas de água.” Neste trabalho, eles agora investigaram essa questão.
BiVO dopado4 sob o vapor de água
Eles estudaram monocristais de BiVO4 dopado com molibdênio sob vapor de água com espectroscopia de fotoemissão de pressão ambiente ressonante no Advanced Light Source no Lawrence Berkeley National Laboratory. Uma equipe liderada por Giulia Galli, da Universidade de Chicago, realizou cálculos da teoria funcional da densidade para ajudar a interpretar os dados e desvendar as contribuições de elementos individuais e orbitais de elétrons para os estados eletrônicos.
Polarons na superfície detectados
“No local A fotoemissão ressonante nos permitiu entender como as propriedades eletrônicas do nosso BiVO4 cristais mudaram com a absorção de água”, diz Favaro. A combinação de medições e cálculos mostrou que, devido ao excesso de carga, gerado por dopagem ou defeitos em certas superfícies do cristal, os chamados polarons podem se formar: estados localizados carregados negativamente, onde a água as moléculas podem facilmente se ligar e então se dissociar. Os grupos hidroxila formados por meio da dissociação da água ajudam a estabilizar a formação de polarons adicionais. “Os elétrons em excesso estão localizados como polarons em VO4 unidades na superfície”, Starr resume os resultados.
Otimização baseada em conhecimento
“O que ainda não podemos avaliar com certeza é o papel que os polarons desempenham na transferência de carga. Se eles promovem isso e, portanto, aumentam a eficiência ou, pelo contrário, são um obstáculo, ainda precisamos descobrir isso”, admite Starr. Os resultados fornecem informações valiosas sobre os processos que modificam a composição química da superfície e a estrutura eletrônica e podem promover o design baseado em conhecimento de melhores fotoanodos para a produção de hidrogênio verde.
Fonte da história:
Materiais fornecidos por Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie. Observação: o conteúdo pode ser editado quanto ao estilo e tamanho.
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