El poder del dopaje en la división fotocatalítica del agua

Se presenta una descripción completa de los fotocatalizadores dopantes en la división del agua bajo luz visible. El dopaje para regular la estructura de bandas de los óxidos compuestos de base Bi logra la división general del agua. La mejora del rendimiento en la producción de hidrógeno se realiza mediante dopaje para controlar la micromorfología del fotocatalizador (exponiendo selectivamente las facetas del cristal de alta actividad) y las propiedades de la superficie (fosforización de la superficie). Una técnica de dopaje de gradiente multilocal construye efectivamente un potencial tridimensional, impulsa de manera eficiente la separación de carga, extiende la vida útil del portador fotogenerado y mejora el rendimiento de la división del agua fotocatalítica. Crédito: Revista China de Catálisis

La división fotocatalítica del agua, que utiliza estrategias como el dopaje y el control de defectos, ha experimentado mejoras en su eficiencia, en particular gracias a avances recientes en métodos de dopaje que optimizan la conversión de energía bajo luz visible.

En la división fotocatalítica del agua, un fotocatalizador, generalmente un semiconductor, absorbe energía luminosa para impulsar la reacción de división del agua. Al absorber la luz, el fotocatalizador genera pares electrón-hueco. Los electrones excitados reducen el agua, mientras que los huecos la oxidan.

Sin embargo, existen muchos desafíos asociados con la división fotocatalítica del agua, entre los que se incluyen principalmente la baja eficiencia, la absorción limitada de luz visible y la fotocorrosión del fotocatalizador. Por lo tanto, se están explorando diversas estrategias, como la formación de heterouniones, el diseño de nanoestructuras, el uso de cocatalizadores, la sensibilización con colorantes, la mejora plasmónica de la superficie, el dopaje y el control de defectos, para resolver estos problemas y romper el cuello de botella de eficiencia.

Dopaje y mejora del rendimiento

El dopaje, en particular, ha atraído mucha atención. Varios estudios han demostrado su eficacia. Por ejemplo, el equipo de Kudo logró un rendimiento cuántico aparente (AQY) superior al 50% mediante la modificación de óxidos metálicos. Dopaje con nitrógeno en TiO₂, según lo informado por Asahi et al., resultó ser crucial para el estrechamiento de la banda prohibida y la mejora de la actividad fotocatalítica. Domen et al. introdujo una solución sólida de galio y nitrógeno óxido de zinc (Ga_1–xzinc_X)(NORTE_1–xOh_X) para la división del agua con luz visible. Chen et al. exploró la introducción del desorden en TiO₂ capas de nanofase a través de Hidrogenación para mejorar la absorción solar. Takata et al. logró la división general del agua utilizando titanato de estroncio modificado dopado con aluminio (SrTiO₃:Al) fotocatalizador con eficiencia cuántica externa de hasta el 96%.

Recientemente, el equipo del Prof. Wenfeng Shangguan de la Universidad Jiao Tong de Shanghai, China, integró su investigación con otros estudios importantes para proporcionar una revisión exhaustiva de la estructura de la banda de energía, la microestructura, la regulación de defectos y las estrategias de dopaje que influyen en la actividad fotocatalítica. Su enfoque en el dopaje de elementos de tierras raras en óxidos compuestos a base de bismuto tiene como objetivo mejorar la banda de conducción mínima y lograr la división general del agua bajo luz visible. Su innovadora técnica de dopaje asimétrico (dopaje de gradiente local selecto) permite la liberación controlada de iones dopados, lo que promete contribuciones significativas a la exploración de nuevos materiales y mejora la eficiencia de conversión de energía en la división fotocatalítica del agua bajo luz visible.

Referencia: «Relato del fotocatalizador dopante para la división del agua» por Wenjian Fang, Jiawei Yan, Zhidong Wei, Junying Liu, Weiqi Guo, Zhi Jiang y Wenfeng Shangguan, 22 de mayo de 2024. Revista china de catálisis.
DOI: 10.1016/S1872-2067(23)64637-6