Traªs anos atrás, cientistas da Universidade de Michigan descobriram um dispositivo de fotossa­ntese artificial feito de sila­cio e nitreto de ga¡lio (Si / GaN) que transforma a luz do sol em hidrogaªnio livre de carbono para células de combusta­vel com o dobro da eficiência e estabilidade de algumas tecnologias anteriores.

Agora, os cientistas do Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) do Departamento de Energia (DOE) - em colaboração com a Universidade de Michigan e o Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) - descobriram uma propriedade surpreendente de autoaperfeia§oamento em Si / GaN que contribui para o desempenho altamente eficiente e esta¡vel do material na conversão de luz e águaem hidrogaªnio livre de carbono . Suas descobertas, relatadas na revista Nature Materials , podem ajudar a acelerar radicalmente a comercialização de tecnologias de fotossa­ntese artificial e células a combusta­vel de hidrogaªnio .

"Nossa descoberta éuma verdadeira virada de jogo", disse a autora saªnior Francesca Toma, cientista da equipe da Divisão de Ciências Quí­micas do Laborata³rio Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab). Normalmente, os materiais nos sistemas de combusta­vel solar se degradam, tornam-se menos esta¡veis ​​e, portanto, produzem hidrogaªnio com menos eficiência, disse ela. "Mas descobrimos uma propriedade incomum em Si / GaN que de alguma forma permite que ele se torne mais eficiente e esta¡vel. Nunca vi tanta estabilidade."

Os materiais anteriores de fotossa­ntese artificial são excelentes absorvedores de luz que não tem durabilidade; ou são materiais dura¡veis ​​que não tem eficiência de absorção de luz.

Mas o nitreto de sila­cio e de ga¡lio são materiais abundantes e baratos que são amplamente usados ​​como semicondutores na eletra´nica do dia-a-dia, como LEDs (diodos emissores de luz) e células solares, disse o coautor Zetian Mi, professor de engenharia elanãtrica e de computação da Universidade de Michigan, que inventou os dispositivos de fotossa­ntese artificial Si / GaN háuma década.

Quando o dispositivo Si / GaN de Mi atingiu um recorde de eficiência solar para hidrogaªnio de 3 por cento, ele se perguntou como tais materiais comuns poderiam funcionar tão extraordinariamente bem em um dispositivo de fotossa­ntese artificial exa³tico - então ele pediu ajuda a Toma.

Mi tinha aprendido sobre a experiência de Toma em técnicas avana§adas de microscopia para sondar as propriedades em nanoescala (bilionanãsimos de um metro) de materiais de fotossa­ntese artificial atravanãs do HydroGEN , um consãorcio de cinco laboratórios nacionais apoiado pelo Escrita³rio de Tecnologias de Hidrogaªnio e Combusta­vel do DOE e liderado pelo Laborata³rio Nacional de Energia Renova¡vel para facilitar as colaborações entre os laboratórios nacionais, a academia e a indústria para o desenvolvimento de materiais avana§ados de separação da a¡gua. "Essas interações de apoio a  indústria e a  academia em materiais de separação de águaavana§ados com as capacidades dos Laborata³rios Nacionais são precisamente o motivo pelo qual o HydroGEN foi formado - para que possamos mover a agulha na tecnologia de produção de hidrogaªnio limpo", disse Adam Weber, Hidrogaªnio e Laborata³rio de Berkeley Gerente do Programa do Laborata³rio de Tecnologias de Canãlulas Combusta­veis e Vice-Diretor da HydroGEN.

Toma e o autor principal, Guosong Zeng, um pa³s-doutorado na Divisão de Ciências Quí­micas do Berkeley Lab, suspeitou que o GaN poderia estar desempenhando um papel no potencial incomum do dispositivo para a eficiência e estabilidade da produção de hidrogaªnio.

Para descobrir, Zeng realizou um experimento de microscopia de força atômica fotocondutiva no laboratório de Toma para testar como os fotoca¡todos de GaN poderiam converter com eficiência fa³tons absorvidos em elanãtrons e, em seguida, recrutar esses elanãtrons livres para dividir a águaem hidrogaªnio, antes que o material comea§asse a se degradar e se tornar menos esta¡vel e eficiente.

Eles esperavam ver um decla­nio acentuado na eficiência e estabilidade de absorção de fa³tons do material após apenas algumas horas. Para sua surpresa, eles observaram uma melhoria de 2-3 ordens de magnitude na fotocorrente do material proveniente de pequenas facetas ao longo da "parede lateral" do gra£o de GaN, disse Zeng. Ainda mais desconcertante éque o material aumentou sua eficiência com o tempo, embora asuperfÍcie geral do material não tenha mudado muito, disse Zeng. “Ou seja, em vez de piorar, o material melhorou”, disse.

Para reunir mais pistas, os pesquisadores recrutaram microscopia eletra´nica de transmissão de varredura (STEM) no National Center for Electron Microscopy em Berkeley Lab's Molecular Foundry e espectroscopia de fa³tons de raios-X dependente do a¢ngulo (XPS).

Esses experimentos revelaram que uma camada de 1 nana´metro misturada com ga¡lio, nitrogaªnio e oxigaªnio - ou oxinitreto de ga¡lio - se formou ao longo de algumas das paredes laterais. Uma reação química ocorreu, adicionando "sa­tios catala­ticos ativos para reações de produção de hidrogaªnio", disse Toma.

Simulações da teoria funcional da densidade (DFT) realizadas pelos co-autores Tadashi Ogitsu e Tuan Anh Pham no LLNL confirmaram suas observações. "Ao calcular a mudança de distribuição de espanãcies químicas em partes especa­ficas dasuperfÍcie do material, encontramos com sucesso uma estrutura desuperfÍcie que se correlaciona com o desenvolvimento de oxinitreto de ga¡lio como um local de reação de evolução de hidrogaªnio", disse Ogitsu. "Esperamos que nossas descobertas e abordagem - uma colaboração de experimentos-teoria fortemente integrada habilitada pelo consãorcio HydroGEN - sejam usadas para melhorar ainda mais as tecnologias de produção de hidrogaªnio renova¡vel."

Mi acrescentou: "Estamos trabalhando neste material hámais de 10 anos - sabemos que éesta¡vel e eficiente. Mas essa colaboração ajudou a identificar os mecanismos fundamentais por trás do porquaª ele se torna mais robusto e eficiente em vez de degradante. vai nos ajudar a construir dispositivos de fotossa­ntese artificial mais eficientes a um custo menor. "

Olhando para o futuro, Toma disse que ela e sua equipe gostariam de testar o fotoca¡todo Si / GaN em uma canãlula fotoeletroquímica de divisão de a¡gua, e que Zeng fara¡ experiências com materiais semelhantes para obter uma melhor compreensão de como os nitretos contribuem para a estabilidade em dispositivos de fotossa­ntese artificial - o que eles nunca pensaram que seria possí­vel.

"Foi totalmente surpreendente", disse Zeng. "Nãofazia sentido - mas os ca¡lculos DFT de Pham nos deram a explicação de que precisa¡vamos para validar nossas observações. Nossas descobertas nos ajudara£o a projetar dispositivos de fotossa­ntese artificial ainda melhores."

"Esta foi uma rede de colaboração sem precedentes entre os Laborata³rios Nacionais e uma universidade de pesquisa", disse Toma. "O consãorcio HydroGEN nos uniu - nosso trabalho demonstra como a abordagem da equipe de ciência dos laboratórios nacionais pode ajudar a resolver grandes problemas que afetam o mundo inteiro."