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Os óxidos metálicos são um catalisador promissor para a separação fotoeletroquímica (PEC) da água para produzir hidrogênio como energia alternativa. No entanto, sua eficácia é limitada em baixa tensão. Uma equipe de pesquisa liderada por estudiosos da City University of Hong Kong (CityU), Austrália e Alemanha mediou com sucesso o transporte de carga pobre em baixa tensão adicionando fósforo a um catalisador de óxido de metal, que reduziu as perdas de energia durante a separação da água. As descobertas oferecem uma opção potencial para alcançar a neutralidade de carbono.
A pesquisa foi co-liderada pelo professor Ng Yun-hau da Escola de Energia e Meio Ambiente (SEE) da CityU e pesquisadores da Austrália e Alemanha. Suas descobertas foram publicadas na revista científica Natureza Comunicaçõesintitulado “Divisão de água fotoeletroquímica de baixa polarização por meio de estados de armadilha mediadores e pequenos saltos de polaron”.
Vanadato de bismuto (BiVO4) é um semicondutor de óxido de metal, que responde tanto à luz ultravioleta quanto à luz visível e é considerado um fotocatalisador de alto desempenho para separação de água PEC. “No processo de separação da água PEC, hidrogênio e oxigênio são produzidos a partir da água, usando luz solar e semicondutores especializados como fotocatalisadores, como o BiVO4. Com energia luminosa e um pequeno fornecimento adicional de voltagem, os fotocatalisadores dissociam diretamente as moléculas de água em hidrogênio e oxigênio”, explicou o Dr. Ng, especialista em pesquisa PEC. “No entanto, se o fornecimento de voltagem for muito baixo, uma grande portadores de carga excitados não podem ser extraídos de forma eficiente, levando à perda de energia e afetando a eficiência de separação de água. Este transporte de carga pobre é devido principalmente aos estados de armadilha dos portadores de carga e à formação de pequenos polarons.”
Defeitos nativos e formação de polaron impedem o transporte de portadores de carga
Com a energia solar, os elétrons no semicondutor são excitados e podem saltar para cima e através da lacuna da banda de valência para a banda de condução para fazer um fluxo de corrente elétrica. Mas os defeitos nativos do semicondutor introduzem “estados de armadilha”, que prendem os elétrons fotoinduzidos e os buracos carregados positivamente até que se recombinem, impedindo-os de se moverem livremente para se tornarem uma corrente elétrica.
Além disso, quando um elétron é excitado dentro de um semicondutor, sua carga pode induzir a expansão da rede, confinando o elétron dentro da unidade de rede e formando um pequeno polaron, que pode ser considerado como um estado de armadilha profunda que aprisiona fortemente o elétron. Requer energia de vibração térmica (conhecida como energia de ativação de salto de polaron) para pular de um local para outro. Assim, a pequena formação de polaron tem um efeito prejudicial na mobilidade de carga, que é comum em óxidos de metais de transição.
A equipe de pesquisa aceitou esse desafio para encontrar maneiras de melhorar a mobilidade da carga. Eles descobriram que, ao modificar o BiVO4 fotoanodos com dopagem de fósforo, a mobilidade da carga é 2,8 vezes maior que a do original. Isso também aumentou muito a eficiência de separação de carga, até 80% a 0,6 V, que é cerca de 1,43 vezes mais forte que o original, e até 99% a 1,0 V.
O Dr. Wu Hao, o primeiro autor do artigo, então pós-doutorando no grupo do Professor Ng, e agora Professor Assistente no Instituto de Ciência e Engenharia de Materiais de Macau na Universidade de Ciência e Tecnologia de Macau, partilhou um dos destaques do estudo: “Descobrimos que as barreiras de ativação do salto de polaron do BiVO4 os fotoanodos foram reduzidos com a incorporação de fósforo. Isso foi comprovado por nossos estudos teóricos e experimentais combinados.”
Efeitos sinérgicos da dopagem com fósforo
Os experimentos e medições da equipe também confirmam que a dopagem com fósforo passivava os estados de armadilha que são intrinsecamente formados no BiVO4 superfície, aumentando assim a fotovoltagem de circuito aberto para dividir as moléculas de água.
Eles mostraram que o transporte de carga em BiVO dopado com fósforo4 foi melhorado ao mediar simultaneamente a barreira de salto de polaron e o estado de armadilha, introduzindo assim uma divisão de água PEC eficiente para produção de hidrogênio em baixa tensão. Os efeitos sinérgicos permitiram que o BiVO dopado com fósforo4 para exibir uma eficiência de conversão de fótons em corrente recorde de 2,21% a 0,6V.
“Esperamos que a compreensão mecanicista do aprimoramento do BiVO4 As propriedades fornecerão informações importantes sobre a passivação do estado de armadilha e o salto de polaron para muitos óxidos de metal fotoativos e, mais importante, oferecerão uma opção potencial para a produção eficiente de hidrogênio para ajudar a alcançar a neutralidade do carbono”, disse o professor Ng.
O primeiro autor da pesquisa é o Dr. Wu, e o autor correspondente é o Professor Ng. Outros colaboradores incluíram pesquisadores do Instituto de Combustíveis Solares de Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) e da Queensland University of Technology.
A pesquisa foi apoiada pelo Conselho de Bolsas de Pesquisa de Hong Kong e pelo Comitê de Inovação em Ciência e Tecnologia do Município de Shenzhen.
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