Los óxidos metálicos son un catalizador prometedor para la división fotoelectroquímica del agua (PEC) para producir hidrógeno como energía alternativa. Sin embargo, su eficacia está restringida a baja tensión. Un equipo de investigación dirigido por académicos de la Universidad de la Ciudad de Hong Kong (CityU), Australia y Alemania, logró mediar con éxito el transporte deficiente del portador de carga a bajo voltaje al agregar fósforo a un catalizador de óxido metálico, lo que redujo las pérdidas de energía durante la división del agua. Los hallazgos ofrecen una opción potencial para lograr la neutralidad de carbono.

La investigación fue codirigida por el profesor Ng Yun-hau de la Escuela de Energía y Medio Ambiente (SEE) de CityU e investigadores de Australia y Alemania. Sus hallazgos se publicaron en la revista científica Nature Communications, titulados « División de agua fotoelectroquímica de polarización baja a través de estados de trampa mediadores y pequeños saltos de polarón ».

El vanadato de bismuto (BiVO4) es un semiconductor de óxido de metal, que responde tanto a la luz ultravioleta como a la visible, y se considera un fotocatalizador de alto rendimiento para la división del agua PEC. « En el proceso de división del agua PEC, el hidrógeno y el oxígeno se producen a partir del agua, utilizando luz solar y semiconductores especializados como fotocatalizadores, como BiVO4. Con energía luminosa y un pequeño suministro de voltaje adicional, los fotocatalizadores disocian directamente las moléculas de agua en hidrógeno y oxígeno, « , explicó el Dr. Ng, experto en investigación de PEC. « Sin embargo, si el suministro de voltaje es demasiado bajo, una gran fracción de los portadores de carga fotoexcitados no se puede extraer de manera eficiente, lo que genera una pérdida de energía y afecta la eficiencia de división del agua. Este transporte de carga deficiente se debe principalmente a los estados de trampa de portadores de carga y formación de pequeños polarones ».

Los defectos nativos y la formación de polarones dificultan el transporte de portadores de carga

Con la energía solar, los electrones en el semiconductor se excitan y pueden rebotar hacia arriba y a través de la banda prohibida desde la banda de valencia hasta la banda de conducción para hacer que fluya una corriente eléctrica. Pero los defectos nativos del semiconductor introducen « estados trampa », que atrapan los electrones fotoinducidos y los huecos cargados positivamente hasta que se recombinan, evitando que se muevan libremente para convertirse en una corriente eléctrica.

Además, cuando un electrón se excita dentro de un semiconductor, su carga puede inducir la expansión de la red, confinando el electrón dentro de la unidad de red y formando un pequeño polarón, que puede considerarse como un estado de trampa profunda que atrapa fuertemente al electrón. Requiere energía de vibración térmica (conocida como energía de activación de salto polaron) para saltar de un sitio a otro. Por lo tanto, la formación de polarones pequeños tiene un efecto perjudicial sobre la movilidad de la carga, que es común en los óxidos de metales de transición.

El equipo de investigación asumió este desafío para encontrar formas de mejorar la movilidad de carga. Descubrieron que al modificar los fotoánodos BiVO4 con dopaje de fósforo, la movilidad de la carga es 2,8 veces mayor que la del prístino. Esto también aumentó en gran medida la eficiencia de separación de carga, hasta un 80 % a 0,6 V, que es aproximadamente 1,43 veces más fuerte que la prístina, y hasta un 99 % a 1,0 V.

El Dr. Wu Hao, el primer autor del artículo, entonces postdoctorado en el grupo del profesor Ng y ahora profesor asistente en el Instituto de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Macao en la Universidad de Ciencia y Tecnología de Macao, compartió uno de los aspectos más destacados del estudio : « Descubrimos que las barreras de activación de salto de polarón de los fotoánodos BiVO4 se redujeron al incorporar fósforo. Esto fue probado por nuestros estudios teóricos y experimentales combinados ».

Efectos sinérgicos del dopaje con fósforo

Los experimentos y mediciones del equipo también confirman que el dopaje con fósforo pasiva los estados de trampa que se forman intrínsecamente en la superficie de BiVO4, lo que aumenta el fotovoltaje de circuito abierto para dividir las moléculas de agua.

« Esperamos que la comprensión mecánica de la mejora de las propiedades de BiVO4 proporcione información clave sobre la pasivación del estado de trampa y el salto de polarón para muchos óxidos metálicos fotoactivos y, lo que es más importante, ofrezca una opción potencial para la producción eficiente de hidrógeno para ayudar a lograr la neutralidad de carbono », dijo. Profesor Ng.

El primer autor de la investigación es el Dr. Wu, y el autor correspondiente es el profesor Ng. Otros colaboradores incluyeron investigadores del Instituto de Combustibles Solares de Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) y la Universidad Tecnológica de Queensland.

La investigación fue apoyada por el Consejo de Becas de Investigación de Hong Kong y el Comité de Innovación Científica y Tecnológica del Municipio de Shenzhen.