Investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley han desarrollado un nuevo dispositivo de fotosíntesis artificial a base de cobre con una estabilidad y longevidad notables, ya que convierte la luz solar y el dióxido de carbono en etileno e hidrógeno.
En un artículo publicado en la revista Nature Energy, los científicos explican que aunque el dispositivo se degrada con el uso, hay maneras de mitigar tal degradación. Los autores también brindan una nueva perspectiva sobre cómo los electrones y los portadores de carga llamados «agujeros» contribuyen a la degradación en la fotosíntesis artificial.
El dispositivo de combustible solar diseñado por el grupo se conoce como celda fotoelectroquímica (PEC) y está hecho de óxido de cobre u óxido cuproso (Cu2O), un prometedor material de fotosíntesis artificial.
El óxido cuproso tiene una alta reactividad a la luz, lo cual es una cualidad positiva pero también hace que el material se descomponga a los pocos minutos de exposición. A pesar de su inestabilidad, el óxido cuproso se considera uno de los mejores materiales candidatos para la fotosíntesis artificial porque es relativamente asequible y tiene características adecuadas para absorber la luz visible.
Para comprender mejor cómo optimizar las condiciones de trabajo de este material prometedor, la investigadora principal Francesca Toma y su equipo observaron más de cerca la estructura cristalina del óxido cuproso antes y después de su uso.
En la investigación de la fotosíntesis artificial, los científicos generalmente han utilizado agua como electrolito en la reducción del dióxido de carbono en productos químicos o combustibles renovables, como el etileno y el hidrógeno, pero el agua contiene iones de hidróxido, lo que provoca inestabilidad.
Usando una técnica llamada espectroscopía de fotoelectrones de rayos X a presión ambiental (APXPS), Toma y sus colegas notaron que el óxido cuproso se corroe aún más rápido en agua que contiene iones de hidróxido, que son iones cargados negativamente compuestos por un átomo de oxígeno unido a un átomo de hidrógeno.
“Sabíamos que era inestable, pero nos sorprendió saber lo inestable que es en realidad”, dijo Toma en un comunicado de prensa. “Cuando comenzamos este estudio, nos preguntamos, tal vez la clave para un mejor dispositivo de combustible solar no esté en el material en sí mismo, sino en el entorno general de la reacción, incluido el electrolito”.
Toma dijo que en los dispositivos electrónicos, los pares de electrones y huecos se separan en electrones y huecos para generar carga. Pero una vez separados, si los electrones y los huecos no se utilizan para generar electricidad, como en un dispositivo fotovoltaico que convierte la luz solar en electricidad, o para realizar una reacción en un dispositivo de fotosíntesis artificial, pueden reaccionar con el material y degradarlo.
En la fotosíntesis artificial, esta recombinación puede corroer el óxido cuproso si no se controla adecuadamente.
Estabilización de la inestabilidad41560 Los científicos habían asumido durante mucho tiempo que los electrones eran los únicos culpables de la corrosión del óxido cuproso. Pero las simulaciones por computadora de Toma mostraron que los agujeros también juegan un papel.
Las simulaciones también insinuaron una posible solución a la inestabilidad inherente del óxido cuproso: un PEC de óxido cuproso recubierto con plata en la parte superior y óxido de oro/hierro debajo. Este “esquema Z”, que está inspirado en la transferencia de electrones que tiene lugar en la fotosíntesis natural, debería crear un “embudo” que envíe agujeros desde el óxido cuproso al “sumidero” de óxido de oro/hierro. Además, la diversidad de materiales en la interfaz debería estabilizar el sistema proporcionando electrones adicionales para recombinar con los huecos del óxido cuproso.
Para validar estas simulaciones, los investigadores diseñaron un modelo físico de un dispositivo de fotosíntesis artificial de esquema Z. El dispositivo produjo etileno e hidrógeno con una selectividad sin precedentes y durante más de horas.
“Este es un resultado emocionante”, dijo Toma.
“Esperamos que nuestro trabajo aliente a las personas a diseñar estrategias que se adapten a las características intrínsecas de los materiales semiconductores en los dispositivos de fotosíntesis artificial”, agregó Guiji Liu, primer autor del estudio.
