A deposição efetiva de nanopartículas de óxido de cobalto finamente disperso (COOX) dentro da estrutura mesoporosa do eletrodo WO3-F127. Crédito: Universidade Niigata
Uma equipe de cientistas revelou um avanço no campo dos materiais de energia renovável. Eles desenvolveram um filme de trióxido de tungstênio mesoporoso e cristalino (WO3) que exibia eficiência e estabilidade excepcionais para divisão de água fotoeletroquímica (PEC).
A pesquisa é publicada na revista Applied Catalysis B: Meio Ambiente e Energia.
A inovação pode acelerar a transição para tecnologias sustentáveis solares para hidrogênio, uma via de energia limpa com implicações de longo alcance para a descarbonização global.
A pesquisa desenvolveu um filme transparente de trióxido de tungstênio (WO3) com uma estrutura mesoporosa altamente ordenada e orientação do cristal adaptada e eficiência e estabilidade a longo prazo, particularmente em condições de pH neutro. Essa descoberta oferece um caminho promissor para o desenvolvimento de dispositivos fotoeletroquímicos (PEC) em tandem para conversão sustentável de energia solar em hidrogênio.
A equipe fabricou o filme diretamente em um substrato condutor de vidro (óxido de estanho dopado com flúor, FTO) usando um método de surfactante-templado juntamente com uma técnica de carbonização de modelo in situ.
Esse processo empregou o copolímero de triplicado F127 e permitiu a formação de uma rede mesoporosa cristalina com paredes ultrafinas de poros (~ 10 nm) e alta área superficial (124 m2/g). O design garante caminhos de migração mais curtos para transportadores de carga, abundantes locais ativos para oxidação da água e transporte de elétrons eficientes dentro do filme transparente.
O autor principal, Dr. Debraj Chandra, destacou o significado do método de síntese e afirmou: “A técnica de carbonização de modelos in situ preserva a estrutura mesoporosa organizada de cristalina exclusiva do filme de fabricação de materiais.
O fotoanodo mesoporoso WO3 demonstrou eficiências de conversão de fótons para corrente incidentes (IPCE) de 49% em condições ácidas e 41% sob pH neutro a 420 nm e 1,23 V em comparação com o eletrodo de hidrogênio reversível.
O valor da IPCE de 49% foi aproximadamente três vezes maior que o dos filmes WO3 convencionais e não explicados. Em comparação com o WO3 padrão, as investigações mecanicistas demonstraram um aumento de 3,6 vezes nas constantes da taxa de oxidação da água.
A introdução de nanopartículas de óxido de cobalto (COOX) como co-catalisadores dentro dos canais mesoporosos resultou em uma melhoria adicional, à medida que acelerou as reações da superfície e aumentou a taxa de evolução do oxigênio constante para 5,7 × 102 S-1.
A eficiência faradaica para a evolução do oxigênio de 93% foi uma conquista notável para os fotoanodos WO3, e o eletrodo WO3 mesoporoso também demonstrou durabilidade notável, mantendo 98% de sua fotocorrente inicial após 30 h de operação contínua em condições neutras.
A transparência óptica de um material é uma das características mais notáveis que contribuem para o seu papel como uma camada de colheita de luz frontal quando combinada com dispositivos PEC. Nesses dispositivos, a eficiência geral é aprimorada empilhando vários fotoabsorores para capturar diferentes regiões do espectro solar.
De acordo com o autor correspondente, Dr. Masayuki Yagi, “a alta transparência óptica e a estabilidade excepcional a longo prazo sob condições de pH neutro do eletrodo WO3 mesoporoso fornece uma estratégia escalável para os dispositivos fotoeletroquímicos de divisão de água em tandem, usando-o como uma camada de colheita de luz frontal.
Embora o hidrogênio seja considerado um portador de energia sustentável que possa descarbonizar uma variedade de setores, incluindo transporte e indústria pesada, a instabilidade e a ineficiência dos materiais fotoativos dificultam a produção sustentável de hidrogênio através da divisão de água acionada pela luz solar.
Assim, este estudo oferece um plano para o desenvolvimento de fotoanodos de próxima geração que combinam estabilidade, transparência e alta eficiência a longo prazo, abordando esses desafios fundamentais no WO3.
Além disso, a estratégia de fabricação, que é baseada em métodos escaláveis de modelos e carbonização, pode ser expandida para outros semicondutores de óxido metálico, aumentando ainda mais seu impacto.
O estudo enfatiza que essa inovação abre caminho para o desenvolvimento de sistemas práticos de divisão de água solares capazes de produzir hidrogênio renovável em larga escala.
Os filmes mesoporosos transparentes do WO3 têm potencial para Herald em uma nova era de combustíveis solares sustentáveis e eficientes, com a adição de otimização e integração adicionais nas arquiteturas de dispositivos em tandem.
Mais informações: Debraj Chandra et al., Filmes WO3 opticamente transparentes com mesoporos organizados e cristalinidade orientada: um fotoanodo eficiente e robusto para oxidação de água acionada por luzes visíveis em pH neutro, catálise aplicada B: ambiente e energia (2025). Doi: 10.1016/j.apcatb.2025.125733
Fornecido pela Universidade Niigata
Citação: O filme mesoporoso transparente aprimora a eficiência e a estabilidade da divisão de água solar (2025, 5 de setembro) recuperadas em 7 de setembro de 2025 em https://techxplore.com/news/2025-09-transparent-mesoporou-wo-solar-efficiência.html
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