Três anos atrás, cientistas da Universidade de Michigan descobriram um dispositivo de fotossíntese artificial feito de silício e nitreto de gálio (Si / GaN) que transforma a luz do sol em hidrogênio livre de carbono para células de combustível com o dobro da eficiência e estabilidade de algumas tecnologias anteriores.
Agora, os cientistas do Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) do Departamento de Energia (DOE) – em colaboração com a Universidade de Michigan e o Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) – descobriram uma propriedade surpreendente de autoaperfeiçoamento em Si / GaN que contribui para o desempenho altamente eficiente e estável do material na conversão de luz e água em hidrogênio livre de carbono. Suas descobertas, relatadas na revista Nature Materials, podem ajudar a acelerar radicalmente a comercialização de tecnologias de fotossíntese artificial e células a combustível de hidrogênio.
“Nossa descoberta é uma verdadeira virada de jogo”, disse a autora sênior Francesca Toma, cientista da equipe da Divisão de Ciências Químicas do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab). Normalmente, os materiais nos sistemas de combustíveis solares se degradam, tornam-se menos estáveis e, portanto, produzem hidrogênio com menos eficiência, disse ela. “Mas descobrimos uma propriedade incomum em Si / GaN que de alguma forma permite que ele se torne mais eficiente e estável. Nunca vi tanta estabilidade.”
Os materiais anteriores de fotossíntese artificial são excelentes absorvedores de luz que não têm durabilidade; ou são materiais duráveis que não têm eficiência de absorção de luz.
Mas o nitreto de silício e de gálio são materiais abundantes e baratos que são amplamente usados como semicondutores na eletrônica do dia-a-dia, como LEDs (diodos emissores de luz) e células solares, disse o co-autor Zetian Mi, professor de engenharia elétrica e de computação da Universidade de Michigan, que inventou os dispositivos de fotossíntese artificial Si / GaN há uma década.
Quando o dispositivo Si / GaN de Mi atingiu um recorde de eficiência solar para hidrogênio de 3 por cento, ele se perguntou como tais materiais comuns poderiam funcionar tão extraordinariamente bem em um dispositivo de fotossíntese artificial exótico – então ele pediu ajuda a Toma.
HydroGEN: Adotando uma abordagem Team Science para combustíveis solares
Mi tinha aprendido sobre a experiência de Toma em técnicas avançadas de microscopia para sondar as propriedades em nanoescala (bilionésimos de um metro) de materiais de fotossíntese artificial por meio do HydroGEN, um consórcio de cinco laboratórios nacionais apoiado pelo Escritório de Tecnologias de Hidrogênio e Combustível do DOE e liderado pelo Laboratório de energia renovável para facilitar a colaboração entre laboratórios nacionais, academia e indústria para o desenvolvimento de materiais avançados de separação de água. “Essas interações de apoio à indústria e à academia em materiais de separação de água avançados com as capacidades dos Laboratórios Nacionais são precisamente o motivo pelo qual o HydroGEN foi formado – para que possamos mover a agulha na tecnologia de produção de hidrogênio limpo”, disse Adam Weber, Hidrogênio e Laboratório de Berkeley Gerente do Programa do Laboratório de Tecnologias de Células Combustíveis e Diretor Adjunto da HydroGEN.
Toma e o autor principal Guosong Zeng, um estudioso de pós-doutorado na Divisão de Ciências Químicas do Berkeley Lab, suspeitou que o GaN poderia estar desempenhando um papel no potencial incomum do dispositivo para a eficiência e estabilidade da produção de hidrogênio.
Para descobrir, Zeng realizou um experimento de microscopia de força atômica fotocondutiva no laboratório de Toma para testar como os fotocátodos de GaN poderiam converter com eficiência fótons absorvidos em elétrons e, em seguida, recrutar esses elétrons livres para dividir a água em hidrogênio, antes que o material começasse a se degradar e se tornar menos estável e eficiente.
Eles esperavam ver um declínio acentuado na eficiência e estabilidade de absorção de fótons do material após apenas algumas horas. Para sua surpresa, eles observaram uma melhoria de 2-3 ordens de magnitude na fotocorrente do material proveniente de pequenas facetas ao longo da “parede lateral” do grão de GaN, disse Zeng. Ainda mais desconcertante é que o material aumentou sua eficiência com o tempo, embora a superfície geral do material não tenha mudado muito, disse Zeng. “Ou seja, em vez de piorar, o material melhorou”, disse.
Para reunir mais pistas, os pesquisadores recrutaram microscopia eletrônica de transmissão de varredura (STEM) no National Center for Electron Microscopy em Berkeley Lab’s Molecular Foundry e espectroscopia de fótons de raios-X dependente do ângulo (XPS).
Esses experimentos revelaram que uma camada de 1 nanômetro misturada com gálio, nitrogênio e oxigênio – ou oxinitreto de gálio – se formou ao longo de algumas das paredes laterais. Uma reação química ocorreu, adicionando “sítios catalíticos ativos para reações de produção de hidrogênio”, disse Toma.
Simulações da teoria funcional da densidade (DFT) realizadas pelos co-autores Tadashi Ogitsu e Tuan Anh Pham no LLNL confirmaram suas observações. “Ao calcular a mudança de distribuição de espécies químicas em partes específicas da superfície do material, encontramos com sucesso uma estrutura de superfície que se correlaciona com o desenvolvimento de oxinitreto de gálio como um local de reação de evolução de hidrogênio”, disse Ogitsu. “Esperamos que nossas descobertas e abordagem – uma colaboração de experimentos-teoria fortemente integrada habilitada pelo consórcio HydroGEN – sejam usadas para melhorar ainda mais as tecnologias de produção de hidrogênio renovável.”
Mi acrescentou: “Trabalhamos neste material há mais de 10 anos – sabemos que é estável e eficiente. Mas esta colaboração ajudou a identificar os mecanismos fundamentais por trás do porquê ele se torna mais robusto e eficiente em vez de degradante. As descobertas deste trabalho vai nos ajudar a construir dispositivos de fotossíntese artificial mais eficientes a um custo menor. ”
Olhando para o futuro, Toma disse que ela e sua equipe gostariam de testar o fotocátodo Si / GaN em uma célula fotoeletroquímica de divisão de água, e que Zeng fará experiências com materiais semelhantes para obter uma melhor compreensão de como os nitretos contribuem para a estabilidade em dispositivos de fotossíntese artificial – o que é algo que eles nunca pensaram que seria possível.
“Foi totalmente surpreendente”, disse Zeng. “Não fazia sentido – mas os cálculos DFT de Pham nos deram a explicação de que precisávamos para validar nossas observações. Nossas descobertas nos ajudarão a projetar dispositivos de fotossíntese artificial ainda melhores.”
“Esta foi uma rede de colaboração sem precedentes entre os Laboratórios Nacionais e uma universidade de pesquisa”, disse Toma. “O consórcio HydroGEN nos uniu – nosso trabalho demonstra como a abordagem da equipe de ciência dos laboratórios nacionais pode ajudar a resolver grandes problemas que afetam o mundo inteiro.”
Publicado em 08/04/2021 12h11
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