Destacando el estudio del mecanismo de división fotoelectroquímica del agua en el fotoánodo de Si pasivado con TiOX una capa con diferente densidad de defectos de los laboratorios del Dr. Ansoon Kim del Instituto de Investigación de Estándares y Ciencia de Corea (KRISS). Fuente: Instituto Coreano de Normas y Ciencias (KRISS)
El hidrógeno está ganando importancia como fuente de energía limpia y eficiente. Sin embargo, ¿el hidrógeno es realmente respetuoso con el medio ambiente? La mayor parte del hidrógeno comúnmente utilizado en la actualidad es hidrógeno gris procedente de combustibles fósiles. Dado que el proceso de su producción va acompañado de la producción de gases de efecto invernadero, se puede concluir que el hidrógeno gris no es ecológico en el sentido estricto de la palabra. La era del hidrógeno verde libre de carbono aún no ha comenzado.
El Instituto Coreano de Normas y Ciencias (KRISS) ha demostrado la clave para la longevidad y el rendimiento de un fotoánodo con recubrimiento protector que se utiliza para producir hidrógeno mediante la división del agua mediante energía solar. Se espera que esto acelere la era del hidrógeno verde respetuoso con el medio ambiente.
El hidrógeno verde se produce sin emisiones de dióxido de carbono utilizando fuentes de energía renovables. Un método representativo para producir hidrógeno verde es la división fotoelectroquímica del agua utilizando un fotoánodo que se sumerge directamente en el electrolito y puede absorber la luz solar. Como resultado, el fotoánodo divide directamente el agua en contacto en hidrógeno y oxígeno utilizando la energía solar absorbida. Sin embargo, dado que el fotoánodo está en contacto directo con el electrolito, es susceptible a la corrosión superficial. Se han depositado revestimientos protectores de superficie sobre la superficie para evitar la corrosión de la superficie.
Por lo general, los materiales de óxido como el dióxido de titanio (TiO2) se utilizan como películas protectoras para fotoánodos. Aunque los materiales de óxido son malos conductores de la electricidad, su conductividad puede modularse cuando se crean defectos de oxígeno, sirviendo como canal de transporte de carga. La clave para prolongar la vida útil de los fotoánodos es desarrollar una capa protectora que sea lo suficientemente resistente para evitar la corrosión del electrodo y capaz de mantener una conductividad eléctrica óptima.
Para una separación de agua PEC eficiente, es crucial equilibrar los dos factores mediante el control sistemático de la densidad del defecto en TiO2X capa de pasivación del fotoánodo n-Si, que son (1) la densidad de estado disponible para el transporte de portadores en la brecha y (2) la energía favorable de la interfaz. Fuente: Instituto Coreano de Normas y Ciencias (KRISS)
KRISS ha desarrollado la primera tecnología del mundo para la modulación sistemática de los niveles de defectos de oxígeno en dióxido de titanio (TiO2) película protectora de fotoánodo para maximizar la eficiencia de producción de hidrógeno. Para investigar el papel de los defectos de oxígeno en el mecanismo de transferencia de carga, el equipo de investigación determinó los niveles óptimos de defectos que maximizan la vida útil del fotoánodo y la producción de hidrógeno mediante espectroscopía de fotoelectrones de rayos X y análisis electroquímico.
A diferencia de estudios anteriores que se basaron en defectos de oxígeno que ocurren espontáneamente en la película protectora durante el proceso de fabricación, este estudio propone un método de producción directa que controla los niveles de defectos de oxígeno, lo que permite la producción en masa.
Según los resultados experimentales, el fotoánodo sin la película protectora mostró una rápida degradación de la vida útil en una hora, lo que provocó que la eficiencia de producción de hidrógeno cayera por debajo del 20 % en comparación con el estado inicial. Por otro lado, un fotoánodo con una capa protectora optimizada mantuvo una eficiencia de producción de hidrógeno superior al 85 % incluso después de 100 horas.
Este logro tiene el potencial de aumentar la eficiencia y la vida útil de los fotoanodos y podría aplicarse a otras tecnologías limpias que dependen de los fotoanodos. Un ejemplo es la tecnología de la fotosíntesis artificial, que captura el dióxido de carbono y lo convierte en una fuente de energía química utilizando energía solar.
El Dr. Ansoon Kim, investigador principal del Instituto Interdisciplinario KRISS para la Medición de Materiales, dijo: “Este enfoque tiene el potencial de extender la vida útil del fotoánodo por un factor de 10 y contribuir significativamente a la comercialización de hidrógeno verde”.
KRISS planea realizar más investigaciones para descubrir los niveles óptimos de defectos de oxígeno y los principios subyacentes que maximizan la vida útil de los fotoánodos.
La investigación se publica en Revista de química de materiales A.
Más información:
Songwoung Hong et al., El papel de la densidad de defectos en la capa protectora de TiOx del fotoánodo n-Si para la división fotoelectroquímica eficiente del agua, Revista de química de materiales A (2023). DOI: 10.1039/D2TA07082K
Proporcionado por el Consejo Nacional de Investigación de Ciencia y Tecnología