Exploración del papel de los defectos de oxígeno en una película protectora de dióxido de titanio para maximizar la eficiencia de producción de hidrógeno

29 de mayo de 2023

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por el Consejo Nacional de Investigación de Ciencia y Tecnología

El hidrógeno ha ganado atención como una fuente de energía limpia y eficiente. Sin embargo, ¿el hidrógeno es realmente respetuoso con el medio ambiente? La mayoría del hidrógeno que se usa comúnmente ahora es hidrógeno gris derivado de combustibles fósiles. Dado que su proceso de producción acompaña a la generación de gases de efecto invernadero, se puede decir que el hidrógeno gris no es respetuoso con el medio ambiente en sentido estricto. La era del hidrógeno verde sin emisiones de carbono aún no ha comenzado.

El Instituto de Investigación de Normas y Ciencias de Corea (KRISS) ha demostrado la clave de la longevidad y la eficiencia de un fotoánodo con película protectora, que se utiliza para producir hidrógeno a través de la división del agua utilizando energía solar. Se espera que esto haga avanzar la era del hidrógeno verde respetuoso con el medio ambiente.

El hidrógeno verde se produce sin emisiones de carbono mediante el uso de fuentes de energía renovables. Un método representativo para producir hidrógeno verde es la división fotoelectroquímica del agua utilizando un fotoánodo que se sumerge directamente en electrolito y puede absorber la luz solar. Como resultado, el fotoánodo se divide directamente en contacto con el agua en hidrógeno y oxígeno utilizando la energía solar absorbida. Sin embargo, como el fotoánodo está en contacto directo con el electrolito, es propenso a la corrosión superficial. Se depositaron revestimientos protectores de superficie sobre la superficie para evitar la corrosión de la superficie.

Por lo general, los materiales de óxido como el dióxido de titanio (TiO2) se utilizan como películas protectoras para los fotoánodos. Aunque los materiales de óxido son malos conductores de la electricidad, su conductividad se puede modular cuando se forman defectos de oxígeno, que sirven como canal para el transporte de carga. La clave para prolongar la vida útil de los fotoánodos es desarrollar una película protectora lo suficientemente duradera para evitar la corrosión de los electrodos y capaz de mantener una conductividad eléctrica óptima.

KRISS ha desarrollado la primera tecnología del mundo para modular sistemáticamente los niveles de defectos de oxígeno en una película protectora de fotoánodo de dióxido de titanio (TiO2) para maximizar la eficiencia de producción de hidrógeno. Con el fin de explorar el papel de los defectos de oxígeno en el mecanismo de transferencia de carga, el equipo de investigación determinó los niveles óptimos de defectos que maximizan la vida útil del fotoánodo y la producción de hidrógeno mediante el uso de espectroscopía de fotoelectrones de rayos X y análisis electroquímico.

A diferencia de estudios anteriores que se basaron en defectos de oxígeno formados espontáneamente en la película protectora durante el proceso de fabricación, esta investigación propone un método directo de producción que controla los niveles de defectos de oxígeno, lo que permite la producción en masa.

Según los resultados experimentales, el fotoánodo sin película protectora mostró una rápida degradación en la vida útil en una hora, lo que provocó que la eficiencia de producción de hidrógeno cayera por debajo del 20 % en comparación con el estado inicial. Por otro lado, el fotoánodo con película protectora optimizada mantuvo una eficiencia de producción de hidrógeno superior al 85 % incluso después de 100 horas.

Este logro tiene el potencial de mejorar la eficiencia y la vida útil de los fotoanodos y se puede aplicar a otras tecnologías limpias que se basan en fotoanodos. La tecnología de fotosíntesis artificial que captura dióxido de carbono y lo convierte en una fuente de energía química usando energía solar es uno de los ejemplos.

El Dr. Ansoon Kim, investigador principal del Instituto de Medición de Materiales Interdisciplinarios KRISS, dijo: "Este enfoque puede mejorar la vida útil del fotoánodo aproximadamente 10 veces y contribuir significativamente a la comercialización de hidrógeno verde".

KRISS planea realizar más investigaciones para revelar los niveles óptimos de defectos de oxígeno y los principios subyacentes que maximizan la vida útil de los fotoánodos.

La investigación se publica en el Journal of Materials Chemistry A.

Más información: Songwoung Hong et al, Rol de la densidad de defectos en la capa protectora de TiOx del fotoánodo de n-Si para la división fotoelectroquímica eficiente del agua, Journal of Materials Chemistry A (2023). DOI: 10.1039/D2TA07082K