Fotocatálisis: Procesos de separación de cargas registrados experimentalmente
Los resultados proporcionan pistas para aumentar la eficiencia de los fotocatalizadores
Ciertos óxidos metálicos se consideran buenos candidatos a fotocatalizadores para producir hidrógeno verde con la luz solar. Un equipo chino ha publicado ahora en Nature resultados interesantes sobre partículas de óxido de cobre(I), a los que ha contribuido significativamente un método desarrollado en HZB. La espectroscopia de fotovoltaje transitorio de la superficie mostró que los portadores de carga positiva en las superficies son atrapados por los defectos en el transcurso de microsegundos. Los resultados proporcionan pistas para aumentar la eficacia de los fotocatalizadores.
Gráfico de contorno de EH-Cu2O. Los fotovoltaicos se representan en función de la energía de los fotones (eje x) y del tiempo (eje y). Las señales SPV positivas (regiones púrpuras por encima de 1,9 eV) corresponden a la relajación de los huecos atrapados en las facetas {111}, mientras que las señales SPV negativas (regiones rojas) corresponden a la relajación de los electrones atrapados en las facetas {001}.
T. Dittrich / HZB
La división del agua en hidrógeno y oxígeno con la ayuda de partículas fotocatalíticas activas podría producir hidrógeno verde a bajo coste en el futuro: La luz solar activa los portadores de carga en los fotocatalizadores, cuya separación espacial desempeña un papel decisivo en la división fotocatalítica del agua. Sin embargo, los fotocatalizadores actuales siguen siendo muy caros o poco eficaces.
Candidatos a catalizadores
Las partículas de óxido metálico se consideran candidatos con gran potencial. Sin embargo, cuando los portadores de carga son activados por la luz, se superponen varios procesos que tienen lugar a diferentes velocidades y en diferentes escalas espaciales. Para observar estos procesos experimentalmente, se necesitan métodos que ofrezcan resoluciones temporales de hasta femtosegundos, pero que también puedan observar procesos más largos que tengan lugar en microsegundos y más lentamente. Esto es lo que ha conseguido un equipo dirigido por Fengtao Fan y Can Li, del Laboratorio Nacional de Energía Limpia de Dalian (China), en partículas microcristalinas de óxido de cobre (I). Los resultados son tan interesantes que Nature ha publicado el trabajo y lo ha destacado con un artículo de News&Views.
Procesos rápidos y lentos
Utilizando imágenes de microscopía electrónica de fotoemisión sucesiva, los científicos demostraron que uno de estos procesos se produce con extrema rapidez en las partículas de Cu2O, en menos de picosegundos (10-12 s): Tras la excitación con luz, los electrones se transfieren de forma casi balística a las facetas {001} de las partículas de Cu2O.
Sin embargo, para observar experimentalmente un segundo proceso, fue necesario un método diferente: porque los "agujeros" fotogenerados migran a las facetas {111} y quedan atrapados allí por los defectos. Thomas Dittrich pudo observar este importante proceso utilizando la espectroscopia de fotovoltaje superficial transitoria (espectroscopia SPV), un método que desarrolló en el HZB. "Descubrimos que el atrapamiento de agujeros se producía de forma relativamente lenta, en el transcurso de microsegundos", explica.
Alta resolución temporal en un amplio rango
En conjunto, los resultados permiten por primera vez estudiar y comprender mejor los procesos que limitan la fotocatálisis en partículas microcristalinas con alta resolución espacial y temporal en rangos amplios.
Método versátil para analizar semiconductores
"Con la espectroscopia SPV transitoria, también podemos investigar otros semiconductores e interfaces que son relevantes, por ejemplo, para aplicaciones que van desde la fotovoltaica y la fotocatálisis hasta la electrónica de alto rendimiento", dice Dittrich. También se pueden obtener conocimientos interesantes sobre los procesos de relajación en semiconductores orgánicos o semiconductores de banda ultraancha como el diamante. "Quizá nuestra publicación en Nature difunda el mensaje de lo útil que puede ser este versátil método", dice Dittrich.
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