Nuevo método de separación eficaz del agua para la producción de hidrógeno a baja tensión

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 Nature Communications, con el título «Low-bias photoelectrochemical water splitting via mediating trap states and small polaron hopping».

El vanadato de bismuto (BiVO4) es un semiconductor de óxido metálico que responde tanto a la luz ultravioleta como a la visible y se considera un fotocatalizador de alto rendimiento para la separación de agua PEC. «En el proceso de separación de agua PEC, se produce hidrógeno y oxígeno a partir del agua, utilizando la luz solar y semiconductores especializados como fotocatalizadores, como el BiVO4. Con energía luminosa y un pequeño suministro adicional de voltaje, los fotocatalizadores disocian directamente las moléculas de agua en hidrógeno y oxígeno», explicó el Dr. Ng, experto en investigación PEC.

«Sin embargo, si el suministro de voltaje es demasiado bajo, una gran fracción de los portadores de carga fotoexcitados no puede extraerse con eficacia, lo que provoca una pérdida de energía y afecta a la eficacia de la disociación del agua. Este deficiente transporte de carga se debe principalmente a los estados trampa de los portadores de carga y a la formación de pequeños polaron.»

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

Con la energía solar, los electrones del semiconductor se excitan y pueden rebotar hacia arriba y a través del hueco de banda desde la banda de valencia a la banda de conducción para hacer fluir 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, impidiéndoles moverse libremente para convertirse en corriente eléctrica.

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

El equipo de investigadores se enfrentó a este reto para encontrar formas de mejorar la movilidad de la carga. Descubrieron que modificando los fotoánodos BiVO4 con dopaje de fósforo, la movilidad de la carga es 2,8 veces superior a la del prístino. De este modo, la eficiencia de separación de cargas también aumentó considerablemente, hasta el 80% a 0,6 V, lo que supone 1,43 veces más que en el caso prístino, y hasta el 99% a 1,0 V.

El Dr. Wu Hao, primer autor del artículo, entonces postdoctorado en el grupo del profesor Ng y ahora profesor adjunto en el Instituto de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Macao, compartió uno de los aspectos más destacados del estudio: «Descubrimos que las barreras de activación del salto de polarones de los fotoánodos BiVO4 se reducían al incorporar fósforo. Así lo demostraron 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 pasivó los estados trampa que se forman intrínsecamente en la superficie del BiVO4, aumentando así la fototensión de circuito abierto para dividir moléculas de agua.

Demostraron que el transporte de carga en el BiVO4 dopado con fósforo mejoraba al mediar simultáneamente la barrera de salto de polarón y el estado trampa, introduciendo así una eficiente división de agua PEC para la producción de hidrógeno a bajo voltaje. Los efectos sinérgicos permitieron al BiVO4 dopado con fósforo alcanzar una eficiencia récord de conversión de fotones en corriente del 2,21% a 0,6V.

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