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(noticias nanowerk) Suena a magia: los fotoelectrodos podrían convertir el gas de efecto invernadero en CO2 nuevamente en metanol o N2 Moléculas para convertirlas en valiosos fertilizantes, utilizando únicamente la energía de la luz solar. Un estudio de HZB (Pequeños métodosEl estudio «Surface-mediated Charge Transfer of Photogenerated Carriers in Diamond» ha demostrado que los materiales de diamante son fundamentalmente adecuados para este tipo de fotoelectrodos.
Combinando técnicas espectroscópicas de rayos X en BESSY II con otros métodos de medición, el equipo de Tristan Petit ha logrado por primera vez rastrear con precisión qué procesos son estimulados por la luz y qué papel crucial desempeña la superficie de los materiales de diamante.
A primera vista, los materiales de diamantes cultivados en laboratorio tienen poco en común con sus joyerías homónimas. Suelen ser opacos, oscuros y no lucen nada espectaculares. Pero incluso si su apariencia pasa desapercibida, son prometedores para muchas aplicaciones diferentes, como en implantes cerebrales, sensores cuánticos y computadoras, y como fotoelectrodos sin metales en la conversión de energía fotoelectroquímica. Son completamente sostenibles y están compuestos únicamente de carbono, se descomponen poco con el tiempo en comparación con los fotoelectrodos a base de metal y pueden fabricarse industrialmente.
Los materiales de diamante son adecuados como fotoelectrodos sin metales porque, cuando se excitan con la luz, liberan electrones en el agua y pueden desencadenar reacciones químicas que de otro modo serían difíciles de desencadenar. Un ejemplo concreto es la reducción de CO2 al metanol, que convierte el gas de efecto invernadero en un combustible valioso. También sería interesante utilizar materiales de diamante para convertir N2 convertido en fertilizante nitrogenado NH3Se utiliza mucha menos energía que el proceso Haber-Bosch.
Sin embargo, los electrodos de diamante se oxidan en agua y se suponía que las superficies oxidadas ya no liberaban electrones al agua. Además, la banda prohibida del diamante está en el rango UV (a 5,5 eV), por lo que la luz visible probablemente no sea suficiente para excitar los electrones. A pesar de esta expectativa, estudios previos han demostrado una emisión desconcertante de electrones tras la excitación de la luz visible. Un nuevo estudio del grupo del Dr. Tristan Petit, del HZB, aporta ahora nuevas ideas y da motivos para la esperanza.
Dr. Arsène Chemin, investigador postdoctoral del equipo de Petit, examinó muestras de materiales de diamante producidos en el Instituto Fraunhofer de Física Aplicada del Estado Sólido en Friburgo. Las muestras fueron diseñadas para facilitar el CO.2 Reacción de reducción: dopadas con boro para asegurar una buena conductividad eléctrica y nanoestructuradas, dotándolas de grandes superficies para aumentar la emisión de portadores de carga como los electrones.
Chemin utilizó cuatro métodos espectroscópicos de rayos X en BESSY II para caracterizar la superficie de la muestra y la energía necesaria para excitar estados superficiales electrónicos específicos. A continuación, utilizó la fototensión de superficie medida en un laboratorio especial del HZB para determinar cuáles de estos estados se excitan y cómo se desplazan los portadores de carga en las muestras. Además, midió la fotoemisión de electrones de muestras ya sea en aire o en líquidos. Combinando estos resultados, pudo por primera vez dibujar una imagen completa de los procesos que tienen lugar en las superficies de la muestra después de la excitación con luz.
«Sorprendentemente, casi no encontramos diferencias en la fotoemisión de cargas en líquidos, independientemente de si las muestras estaban oxidadas o no», dice Chemin. Esto demuestra que los materiales de diamante son muy adecuados para su uso en soluciones acuosas. La excitación con luz visible también es posible: en las muestras dopadas con boro, la luz violeta (3,5 eV) es suficiente para excitar los electrones.
«Estos resultados son motivo de optimismo», afirma Chemin: «Con los materiales de diamante tenemos una nueva clase de materiales que se pueden investigar y utilizar a gran escala». Además, la metodología de este estudio también es interesante: combinación de estos diferentes métodos espectroscópicos El físico destaca que los métodos también podrían conducir a nuevos avances en otros materiales semiconductores fotoactivos.
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