Fotoànodes fets de nanolàmines bidimensionals de sulfur d’estany milloren l’absorció de llum visible dels dispositius fotoelectroquímics

La divisió fotoelectroquímica (PEC) de l’aigua i la reducció del CO₂ basada en l’energia solar són estratègies prometedores per a la producció d’hidrogen verd i la conversió de CO₂ en combustibles renovables o en matèries primeres. Tanmateix, el desplegament de sistemes PEC està limitat per les bandes prohibides excessives dels fotoànodes basats en òxids metàl·lics, que no permeten una absorció eficient de la llum visible. Els materials amb bandes prohibides mitjanes i grans adequats per a aplicacions en tàndem segueixen sent difícils de trobar degut al seu alt cost, l’escassetat de materials o la seva baixa eficiència.

Últimament, els calcogenurs de metalls de transició (TMC) bidimensionals, com el WS₂, WSe₂, MoS₂, i MoSe₂, han centrat l’atenció per la seva eficiència, ajustabilitat i baix cost, unes característiques que els fan adequats per a les aplicacions PEC com a materials d’absorció amb bandes prohibides més petites i també com a catalitzadors per a les reaccions d’evolució d’hidrogen i oxigen. Entre aquests materials, els sulfurs d’estany (SnxSy) han atret l’interès de la comunitat investigadora degut a l’abundància tant d’estany com de sofre, una fabricació senzilla, la seva semitransparència i una major activitat fotocatalítica.

En un nou treball, els investigadors de l’ICFO i membres del projecte europeu SOREC2, Jordi Martorell i Carles Ros, en col·laboració amb Yudania Sánchez, Maxim Guc, Maykel Jiménez-Guerra i Alejandro Pérez-Rodríguez de l’Institut de Recerca en Energia de Catalunya (IREC); Sara Martí-Sánchez i Jordi Arbiol de l’ICN2; i Shadai Lugo-Loredo de la Universitat Autònoma de Nuevo León (UANL), han descrit la fabricació i optimització de fotoànodes fets mitjançant nanolàmines de sulfur d’estany (SnS₂) utilitzant tècniques de processat en solució. El seu treball, que ha estat publicat recentment a la revista International Journal of Hydrogen Energy, revela per primera vegada les capacitats d’absorció i conversió de llum visible d’aquests fotoànodes basats en nanolàmines 2D de SnS₂.

Els investigadors van fabricar els fotoànodes utilitzant un processat en solució de dos passos. A escala nanomètrica, les mostres fabricades a temperatura més elevada (500 °C) van exhibir nanolàmines hexagonals de SnS₂ ben definides i que superaven els 400 nm d’ample. Aquesta fase (SnS₂) també va mostrar la banda prohibida electrònicament activa més petita, millorant d’aquesta forma la capacitat del material per convertir la llum visible en energia elèctrica.

Els científics van avaluar també les capacitats fotoelectroquímiques de les nanolàmines de SnS₂ fabricades, utilitzant-les en la reacció d’evolució d’oxigen (OER) en una cel·la de divisió d’aigua d’un sol compartiment. Després d’optimitzar els procediments de post-tractament, els investigadors van obtenir mostres de nanolàmines 2D de SnS₂ amb capacitat per  generar fotovoltatjes superiors als 1.06 volts i corrents fotoelèctriques superiors als 1.6 mA/cm². A més, van mesurar l’eficiència de conversió del fotó incident a corrent (IPCE) d’aquestes mostres millorades de SnS₂. Els investigadors van comprovar la conversió de fotons per part de les nanolàmines 2D de SnS₂ en el rang dels 500-900 nm (espectre visible), amb una IPCE màxima del 75% a 330 nm.

“El perfil d’IPCE observat indica que els fotoànodes fets amb nanolàmines 2D de SnS₂ fabricades mitjançant mètodes de processat en solució tenen un potencial significatiu per millorar l’absorció i conversió en tot l’espectre de la llum visible, posicionant-los com a materials prometedors per a la producció eficient d’hidrogen solar”, van escriure els autors.

“El nostre treball contribueix a una millor comprensió dels sulfurs de metalls de transició com a materials bidimensionals fotoabsorbents en condicions fotoelectroquímiques”, conclou Carles Ros, coautor de l’estudi.

Artícle original

Yudania Sánchez, Maxim Guc, Sara Martí-Sánchez, Maykel Jiménez-Guerra, Shadai Lugo-Loredo, Jordi Arbiol, Alejandro Perez-Rodriguez, Jordi Martorell, Carles Ros. (2024). 2D nanosheet SnS₂ solution-processed photoanodes: Unveiling enhanced visible light absorption for solar fuels applications. International Journal of Hydrogen Energy, 77, 193–202.