Un conegut semiconductor desperta de nou l’interès per generar hidrogen verd
El vanadat de bismut (BiVO₄), un material semiconductor amb diverses propietats físiques i químiques excel·lents, va ser considerat en el seu moment com un fotoànode ideal per a la generació d’hidrogen mitjançant la divisió fotoelectroquímica de l’aigua assistida per la llum solar. No obstant això, els científics aviat es van adonar que el corrent elèctric produït per aquesta reacció –directament proporcional a la quantitat d’hidrogen generat– era insuficient per satisfer la demanda mundial d’energia verda. Com a resultat, l’interès per aquest semiconductor va disminuir gradualment i molts grups de recerca van començar a investigar materials alternatius per crear els fotoànodes d’aquesta reacció.
Tanmateix, alguns instituts, inclòs l’ICFO, han continuat investigant formes de desbloquejar tot el potencial del BiVO₄. En una publicació a ACS Energy Letters, els investigadors de l’ICFO han demostrat ara una nova via per aprofitar aquest material en la generació d’hidrogen. Per fer-ho, es van centrar en energies solars més baixes, on prèviament es creia que l’absorció de llum era massa feble per promoure la reacció de divisió de l’aigua. Tot i això, augmentant la trajectòria òptica de la llum dins del material semiconductor, van aconseguir finalment generar i detectar fotocorrents.
A partir d’aquest descobriment, l’equip ha mostrat com nous dissenys basats en una gestió òptima de la propagació de la llum dins del BiVO₄ podrien fins i tot conduir a nivells de fotocorrent més alts del que es creia possible. El més rellevant de tot és que han consolidat la idea que el BiVO₄ pot ser un material clau a l’hora de generar hidrogen verd.
En el context de la crisi climàtica i energètica, els científics treballen incansablement per trobar combustibles sostenibles. L’hidrogen, que es pot produir a partir de la reacció de divisió de l’aigua impulsada per la llum solar, ha sorgit com un candidat prometedor. El repte ara és aconseguir que el procés de conversió sigui verd, eficient i rendible. Per assolir aquest objectiu, és crucial triar amb cura els materials que s’empren com a elèctrodes (fotoànode i fotocàtode) en la reacció de divisió de l’aigua. Una bona o mala elecció pot marcar la diferència entre un muntatge de generació d’hidrogen exitós o fallit.
Fa alguns anys, un semiconductor anomenat vanadat de bismut (BiVO₄) va atreure l’atenció de la comunitat científica com a possible fotoànode per les seves atractives propietats físiques, que inclouen la no toxicitat, el baix cost de preparació i l’alta estabilitat. L’entusiasme, però, no va durar gaire. Es va descobrir que la fotocorrent màxima generada pels fotons solars amb energies superiors a la bretxa energètica del BiVO₄ (2,4 eV) era massa baixa. Tot i que el BiVO₄ absorbeix millor la llum en aquest rang d’energia, la intensitat obtinguda no era suficient per a aplicacions industrials.
Ara, investigadors de l’ICFO, la Dr. Catarina G. Ferreira, el Dr. Carles Ros, el Dr. Mingyu Zhang, la Valentina Gacha, el Dr. Dimitros Raptis, dirigits pel Prof. de l’ICFO i la UPC Jordi Martorell, en col·laboració amb la Universitat Tècnica de Munic, han abordat el problema des d’una perspectiva diferent. En lloc de centrar-se en aquest règim d’“alta energia”, han explorat energies solars més baixes, just per sota de la bretxa energètica del BiVO₄. “Estudis previs apuntaven a la capacitat del material d’absorbir (com a mínim, en certa mesura) fotons de menor energia, però les contribucions a la generació de fotocorrent mai no havien estat abordades explícitament”, comparteixen els autors. De fet, en aquest règim l’absorció és tan baixa que la generació de fotocorrent semblava un intent en va.
La proposta de l’ICFO ha aportat, per primera vegada en molt temps, una certa esperança al camp. En una publicació a ACS Energy Letters, l’equip ha presentat un mètode alternatiu per augmentar la trajectòria òptica de la llum dins del BiVO₄ mitjançant la introducció d’un mirall reflectant a la zona posterior del fotoànode. D’aquesta manera, la llum que entra al material es reflecteix abans de sortir, travessant el semiconductor un cop més i augmentant així les probabilitats d’absorció. Malgrat la seva simplicitat, els investigadors han demostrat l’eficàcia d’aquesta estratègia per generar fotocorrent a partir d’energies incidents inferiors a la bretxa energètica del material, independentment de com es fabriqui el dispositiu. A més, han desenvolupat un model teòric per estimar la fotocorrent màxima que, idealment, podria arribar a generar-se si s’optimitza la propagació de la llum dins del vanadat de bismut, demostrant que el límit comunament reportat podria ser àmpliament superat.
El més important és que, en mostrar que una estratègia de disseny innovadora pot marcar una diferència decisiva, l’estudi ha revifat l’interès pels fotoànodes de BiVO₄ en la cursa per la generació d’hidrogen.
Referència:
Catarina G. Ferreira, Carles Ros, Mingyu Zhang, Guanda Zhou, Valentina Gacha, Dimitrios Raptis, Ian D. Sharp, and Jordi Martorell, Sub-Bandgap Photon-to-Current Conversion in Bismuth Vanadate Photoanodes and Its Impact on the Maximum Photocurrent Density Achievable for Water Splitting, ACS Energy Letters 0, 10 (2025).
DOI: 10.1021/acsenergylett.5c01894
Agraïments:
The authors acknowledge the financial support by the European Commission through the LICROX project (grant 951843). The work also had the support of the Department of Research and Universities, the Department of Climate Action, Food and Rural Agenda, and the Climate Fund of the Government of Catalonia through SolarComb (grant 2023 CLIMA 00036). In addition, the work was partially funded by Ministerio de Ciencia e Innovación (grant CEX2019-000910-S), Fundació Cellex, Fundació Mir-Puig, and Generalitat de Catalunya through Centres de Recerca de Catalunya, as well as by the German Research Foundation under e-conversion Germany’s Excellence Strategy − EXC2089-390776260 and TUM.solar in the context of the Bavarian Collaborative Research Project Solar Technologies Go Hybrid (SolTech). C.R. acknowledges support from the Ministerio de Ciencia e Innovación/Agencia Estatal de Investigación (grant FJC2020-043223-I) and the Severo Ochoa Excellence Postdoctoral Fellowship (grant CEX2019-000910-S).