Los investigadores diseñan fotocátodos semiconductores orgánicos duraderos con encapsulación en lámina metálica

22 de septiembre de 2022

por GIST (Instituto Gwangju de Ciencia y Tecnología)

El hidrógeno está surgiendo como una alternativa popular y respetuosa con el medio ambiente a los recursos de combustibles fósiles debido a sus productos de combustión neutros en carbono (agua, electricidad y calor) y se considera el combustible de próxima generación para una sociedad sin emisiones. Sin embargo, la principal fuente de hidrógeno son, irónicamente, los combustibles fósiles.

Una forma de producir hidrógeno de forma limpia y sostenible es mediante la división del agua impulsada por la luz solar. El proceso, conocido como "división fotoelectroquímica del agua (PEC)" es la base del funcionamiento de las células fotovoltaicas orgánicas. Lo que hace que este método sea atractivo es que permite 1) la producción masiva de hidrógeno en un espacio limitado sin un sistema de red y 2) la conversión de alta eficiencia de energía solar en hidrógeno.

Sin embargo, a pesar de estas ventajas, los materiales fotoactivos utilizados en las PEC convencionales no tienen las propiedades necesarias para un entorno comercial. En este sentido, los semiconductores orgánicos (OS) han surgido como un material fotoelectrodo potencial para la producción comercial de hidrógeno PEC debido a su alto rendimiento y bajo costo de impresión. Pero, como desventaja, los sistemas operativos adolecen de una mala estabilidad química y una baja densidad de fotocorriente.

Ahora, un equipo de investigadores dirigido por el profesor Sanghan Lee del Instituto de Ciencia y Tecnología de Gwangju, Corea, puede haber resuelto finalmente este problema. En su reciente avance que apareció en la portada del Journal of Materials Chemistry A, el equipo adoptó un enfoque basado en encapsular el fotocátodo OS en una lámina de titanio decorada con platino, una técnica conocida como "encapsulación con lámina metálica", para evitar su exposición a la solución electrolítica.

"La encapsulación con lámina metálica es un enfoque poderoso para realizar fotocátodos basados ​​en OS estables a largo plazo, ya que ayuda a impedir la penetración de electrolitos en el OS, mejorando su estabilidad a largo plazo, como se ha demostrado en nuestros estudios anteriores y otros informes sobre OS. basados ​​en fotoelectrodos", explica el profesor Lee.

El equipo fabricó una célula fotovoltaica orgánica, en la que el fotocátodo del sistema operativo estaba cubierto con una lámina de titanio y nanopartículas de platino bien dispersas. Tras las pruebas, el fotocátodo OS mostró un potencial de inicio de 1 V frente al electrodo de hidrógeno reversible (RHE) y una densidad de fotocorriente de -12,3 mA cm-2 a 0 VRHE. Lo más notable es que la celda demostró una estabilidad operativa récord, reteniendo el 95,4% de la fotocorriente máxima durante más de 30 horas sin ningún deterioro notable en el sistema operativo. Además, el equipo probó el módulo bajo luz solar real y pudo producir hidrógeno.

El módulo PEC altamente estable y eficiente desarrollado en este estudio puede permitir la producción de hidrógeno a gran escala e inspirar rutas innovadoras para la construcción de futuras estaciones de servicio de hidrógeno. "Con la creciente amenaza del calentamiento global, es imperativo desarrollar fuentes de energía respetuosas con el medio ambiente. El módulo PEC explorado en nuestro estudio podría instalarse en estaciones de servicio de hidrógeno, donde el hidrógeno puede producirse en masa y venderse al mismo tiempo. " dice el profesor Lee.

Más información: Sehun Seo et al, Un sistema de módulo fotoelectroquímico basado en fotocátodo semiconductor orgánico estable a largo plazo para la producción de hidrógeno, Journal of Materials Chemistry A (2022). DOI: 10.1039/D2TA02322A