Fotoánodos hechos de nanoláminas bidimensionales de sulfuro de estaño mejoran la absorción de luz visible de los dispositivos fotoelectroquímicos
Un nuevo estudio publicado en la revista International Journal of Hydrogen Energy ha demostrado el potencial de las nanoláminas bidimensionales de sulfuro de estaño (SnS₂) para ser utilizadas en los sistemas fotoelectroquímicos. El trabajo ha mostrado la capacidad de estos fotoánodos procesados en solución para absorber y convertir la luz visible en energía química. Estos resultados los establecen como materiales prometedores para mejorar las aplicaciones fotoelectroquímicas, incluyendo la producción de combustibles solares y de hidrógeno.
La división fotoelectroquímica (PEC por sus sigles en inglés) del agua y la reducción del CO2 basada en la energía solar son una estratègia prometedora para la producción de hidrógeno verde y la conversión de CO2 en combustibles renovables o en materias primas. Sin embargo, el despliegue de sistemas PEC está limitado por bandas prohibidas excesivas o extensas de los fotoánodos basados en óxidos metálicos, que no permiten una absorción eficiente de la luz visible. Los materiales con bandas prohíbidas medias y grandes adecuados para aplicaciones en tándem siguen siendo difíciles de encontrar debido a su alto coste, la escasez de materiales o su baja eficiencia.
Últimamente, los calcogenuros de metales de transición (TMC) bidimensionales, como el WS2, WSe2, MoS2, and MoSe2, han centrado la atención por su eficiencia, ajustibilidad y bajo coste, lo que los hace adecuados para aplicaciones PEC como materiales de absorción con bandas prohibidas más cortas y también como catalizadores para las reacciones de evolución de hidrógeno y oxígeno. Entre estos materiales, los sulfuros de estaño (SnxSy) han atraído el interès de la comunidad investigadora debido a la abundancia de estaño y azufre, la sencillez en su fabricación, su semitransparencia y su mayor actividad fotocatalítica.
En este nuevo trabajo, los investigadores del ICFO y miembros del proyecto europeo SOREC2, Jordi Martorell y Carles Ros, en colaboración con Yudania Sánchez, Maxim Guc, Maykel Jiménez-Guerra y Alejandro Pérez-Rodríguez del Instituto de Investigación en Energía de Cataluña (IREC); Sara Martí-Sánchez y Jordi Arbiol de ICN2; y Shadai Lugo-Loredo de la Universidad Autónoma de Nuevo León (UANL), han descrito la fabricación y optimización de fotoánodos hechos mediante nanolaminas de sulfuro de estaño (SnS₂) utilizando técnicas procesado en solución. Su trabajo, que ha sido publicado recientemente en la revista International Journal of Hydrogen Energy, revela por primera vez las capacidades de absorción y conversión de luz visible de estos fotoánodos basados en nanoláminas 2D de SnS₂.
Los investigadores fabricaron los fotoánodos utilizando un procesamiento en solución de dos pasos. A escala nanométrica, las muestras fabricadas a temperatura más elevada (500 °C) exhibieron nanoláminas hexagonales de SnS₂ bien definidas y que superaban los 400 nm de ancho. Esta fase (SnS2) también mostró la banda prohibida electrónicamente activa más pequeña, mejorando de esta forma la capacidad del material para convertir la luz visible en energía eléctrica.
Los científicos evaluaron además las capacidades fotoelectroquímicas de las nanoláminas de SnS₂ fabricadas, utilizándolas en la reacción de evolución de oxígeno (OER) en una celda de división de agua de un solo compartimiento. Después de optimizar los procedimientos de post-tratamiento, los investigadores obtuvieron muestras de nanoláminas 2D de SnS₂ capaces de generar fotovoltajes superiores a los 1.06 voltios y corrientes fotoeléctricas superiores a los 1.6 mA/cm². Además, midieron la eficiencia de conversión de fotón incidente a corriente (IPCE por sus sigles en inlgés) de estas muestras mejoradas de SnS₂. Los investigadores comprobaron la conversión de fotones por parte de las nanoláminas 2D de SnS₂ en el rango de los 500-900 nm (espectro visible), con una IPCE máxima del 75% a 330 nm.
"El perfil de IPCE observado indica que los fotoánodos de nanoláminas 2D de SnS₂ fabricados mediante métodos de procesado en solución tienen un potencial significativo para mejorar la absorción y conversión en todo el espectro de la luz visible, posicionándolos como materiales prometedores para la producción eficiente de hidrogeno solar", escribieron los autores.
“Nuestro trabajo contribuye a una mejor comprensión de los sulfuros de metales de transición como materiales bidimensionales fotoabsorbentes en condiciones fotoelectroquímicas”, concluye Carles Ros, coautor del estudio
Artículo 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. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2024.06.160