Nanobastões de hematita dão um novo giro na divisão da água em células fotoeletroquímicas [Materials Today]

Cordelia Sealy | Materials Today - Usar a luz do sol para dividir a água em hidrogênio e oxigênio eficientemente poderia revolucionar a geração de energia. Células fotoeletroquímicas (photoelectrochemical cells PEC) podem converter fótons solares em hidrogênio e oxigênio, mas encontrar o material correto para compor elétrodos tem sido um desafio.

“A hematita tem sido a melhor candidata ao fotoanodo nas células do PEC há anos”, diz Flavio L. Souza, da Universidade Federal do ABC, “por causa de suas características intrínsecas e abundância, o que poderia permitir a tecnologia de fotoanodos baratos”.

Mas, apesar dessas promissoras previsões teóricas e décadas de pesquisa, as fracas propriedades de transporte eletrônico da hematita têm dificultado o desenvolvimento de um dispositivo PEC. Agora, no entanto, uma equipe de colaboradores liderada por Souza (UFABC), com Ricardo H. R Castro, da Universidade da Califórnia-Davis (EUA), está descobrindo os segredos da hematita, o que poderia levar a novos avanços na tecnologia PEC.

“Nós nos concentramos em um método simples e facilmente escalável para fabricar o precursor de hematita em forma de pó e filme / elétrodo simultaneamente”, explica Souza.

O processo inicia-se misturando precursores químicos dissolvidos em água e controlando o pH com íons Cl-, que são vitais para o processo de cristalização e formação de nanobastões.

“As espécies Cl são as responsáveis pela 'magia', favorecendo a formação de uma morfologia nano-colunar, que é posteriormente calcinada para transformar o oxihidróxido em hematita”, diz Souza. “Esse método cria uma floresta altamente desejável de nanofios e fios, o que deve levar a um melhor comportamento de transporte eletrônico, porque há menos interfaces para atuar como armadilhas para elétrons.”

No entanto, é essencial que todo o Cl seja removido da hematita final para que isso funcione. Isso se mostrou complicado na prática porque, explica Castro, as espécies Cl podem persistir até 900 ° C, muito acima das temperaturas típicas de processamento de fotoanodos.

"Nós relatamos pela primeira vez que a persistência de Cl- na estrutura da hematita ou na superfície suprime propriedades importantes e reduz o desempenho do dispositivo PEC", diz ele.

Inesperadamente, no entanto, os pesquisadores descobriram que o efeito envenenador das espécies Cl- abre uma oportunidade sem precedentes para manipular a mobilidade do spin. O trabalho deles revela que as espécies Cl- atuam como capacitores de carga locais, fixando a mobilidade do spin e "envenenando" a superfície da hematita. A impressão digital ferromagnética fraca da hematita não é perceptível até que Cl- seja totalmente eliminado do material.

“Embora a remoção de Cl só ocorra em altas temperaturas de annealing, o aspecto mais interessante dos nossos dados é que mostramos que o Cl- pode manipular a mobilidade do spin, oferecendo a possibilidade de ajustar as propriedades da hematita de acordo com a aplicação”, destaca Souza.

Os resultados fornecem uma visão sobre a fabricação e controle das propriedades fundamentais da hematita através de uma rota química simples, que poderia ser útil no desenvolvimento de futuros dispositivos PEC.

Artigo científico: Carvalho-Jr et al., J. Alloys Compounds 799 (2019) 83-88

A matéria original publicada em Materials Today pode ser lida no link: https://bit.ly/2JItShp