Imitando la fotosíntesis, las células que dividen el agua absorben la luz solar y producen combustible. Un desafío en el diseño de tales células es emparejar el semiconductor que absorbe la luz solar y genera electrones con el catalizador que usa esos electrones para producir combustible. Los investigadores introdujeron una nueva forma de estudiar elflujo de electrones en la interfaz de los dos materiales. Utilizando esta capacidad, descubrieron que los catalizadores permeables a iones forman interfaces que producen más energía en comparación con catalizadores comparables, pero más densos.
La división del agua proporciona un mecanismo potencial para la conversión a gran escala y el almacenamiento de energía solar en forma de combustible químico renovable, como el hidrógeno. La invención de métodos directos para sondear interfaces de separación de agua con separación de carga permite el desarrollo dedispositivos más eficientes que producen hidrógeno a partir de la luz solar y el agua. El descubrimiento también arroja luz sobre cuestiones fundamentales relacionadas con la transferencia de carga en las interfaces modificadas.
Un cuello de botella en el desarrollo de dispositivos solares de separación de agua de alta eficiencia ha sido la falta de información directa y cuantitativa sobre el comportamiento electrónico de la interfaz entre el catalizador y el semiconductor. Para comprender mejor los catalizadores, los investigadores contactaron eléctricamente un solo cristalelectrodo de dióxido de titanio y recubierto con varias películas catalizadoras. Las interfaces semiconductor-catalizador se probaron directamente mientras operaban usando una nueva técnica de fotoelectroquímica de doble electrodo para monitorear y controlar independientemente el voltaje y la corriente en ambos materiales. Utilizando este enfoque, los investigadores observaronla carga se acumula en el catalizador y cambia el voltaje del catalizador Catalizadores permeables a iones activos redox, como el hidróxido de níquel / oxihidróxido de níquel Ni OH 2 / NiOOH, produjo uniones "adaptables" de semiconductores-catalizador donde la altura efectiva de barrera de Schottky cambió con el nivel de oxidación del catalizador.
En contraste, los catalizadores densos e impermeables a base de óxido de iridio produjeron uniones "enterradas" de altura de barrera constante. Conversión de óxidos de níquel densos depositados térmicamente sobre dióxido de titanio en Ni OH permeable a iones 2 / NiOOH se correlacionó con el aumento de la fotovoltaje aparente y el factor de relleno. Los investigadores propusieron una nueva teoría de las uniones adaptativas y aplicaron la teoría mediante simulación numérica. Si bien el sistema utilizado en el estudio no es eficiente, estos resultados proporcionan una visión fundamental de la dinámicacomportamiento de las interfaces que ayudarán a guiar el diseño de dispositivos eficientes de semiconductores-catalizadores. También ilustran una nueva clase de uniones de semiconductores adaptativos.
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Materiales proporcionado por Departamento de Energía, Oficina de Ciencia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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