Pesquisadores projetam fotocátodos semicondutores orgânicos duráveis ​​com encapsulamento de folha metálica

22 de setembro de 2022

por GIST (Instituto de Ciência e Tecnologia de Gwangju)

O hidrogénio está a emergir como uma alternativa ecológica popular aos recursos de combustíveis fósseis devido aos seus produtos de combustão neutros em carbono (água, electricidade e calor) e é considerado o combustível da próxima geração para uma sociedade com emissões zero. No entanto, a principal fonte de hidrogénio são, ironicamente, os combustíveis fósseis.

Uma forma de produzir hidrogénio de forma limpa e sustentável é através da divisão da água impulsionada pela luz solar. O processo, conhecido como “divisão fotoeletroquímica (PEC) da água” é a base do funcionamento das células fotovoltaicas orgânicas. O que torna este método atraente é que ele permite 1) produção em massa de hidrogênio em espaço limitado sem sistema de rede e 2) conversão de alta eficiência de energia solar em hidrogênio.

Apesar dessas vantagens, no entanto, os materiais fotoativos utilizados nos PECs convencionais não possuem as propriedades exigidas para um ambiente comercial. Nesse sentido, os semicondutores orgânicos (OSs) surgiram como um potencial material fotoeletrodo para a produção comercial de hidrogênio PEC devido ao seu alto desempenho e impressão de baixo custo. Mas, por outro lado, os sistemas operacionais sofrem de baixa estabilidade química e baixa densidade de fotocorrente.

Agora, uma equipe de pesquisadores liderada pelo Prof. Sanghan Lee, do Instituto de Ciência e Tecnologia de Gwangju, na Coréia, pode ter finalmente resolvido esse problema. Em sua recente descoberta que apareceu na capa do Journal of Materials Chemistry A, a equipe adotou uma abordagem baseada no encapsulamento do fotocátodo OS em folha de titânio decorada com platina, uma técnica conhecida como "encapsulamento de folha metálica", para evitar seu exposição à solução eletrolítica.

"O encapsulamento de folha metálica é uma abordagem poderosa para a realização de fotocátodos baseados em sistema operacional estáveis ​​a longo prazo, uma vez que ajuda a impedir a penetração de eletrólitos no sistema operacional, melhorando sua estabilidade a longo prazo, como foi demonstrado em nossos estudos anteriores e outros relatórios sobre sistema operacional fotoeletrodos baseados em ", explica o Prof. Lee.

A equipe fabricou uma célula fotovoltaica orgânica, na qual o fotocátodo OS foi coberto com uma folha de titânio e nanopartículas de platina bem dispersas. Após o teste, o fotocátodo OS mostrou um potencial de início de 1 V versus o eletrodo de hidrogênio reversível (RHE) e uma densidade de fotocorrente de -12,3 mA cm-2 a 0 VRHE. Mais notavelmente, a célula demonstrou uma estabilidade operacional recorde, retendo 95,4% da fotocorrente máxima por mais de 30 horas sem qualquer deterioração perceptível no sistema operacional. Além disso, a equipe testou o módulo sob luz solar real e foi capaz de produzir hidrogênio.

O módulo PEC altamente estável e eficiente desenvolvido neste estudo pode permitir a produção de hidrogénio em larga escala e inspirar rotas inovadoras para a construção de futuros postos de gasolina de hidrogénio. "Com a crescente ameaça do aquecimento global, é imperativo desenvolver fontes de energia ecológicas. O módulo PEC explorado no nosso estudo poderia ser instalado em postos de gasolina de hidrogénio, onde o hidrogénio pode ser produzido em massa e vendido ao mesmo tempo, " diz o Prof. Lee.

Mais Informações: Sehun Seo et al, Um sistema de módulo fotoeletroquímico baseado em fotocátodo de semicondutor orgânico estável de longo prazo para produção de hidrogênio, Journal of Materials Chemistry A (2022). DOI: 10.1039/D2TA02322A