La oxidación del agua y la cinética de la extracción de electrones en fotoánodos de trióxido de tungsteno...

Área de la Ciencia:

• Ciencias de los materiales
• Fotocatálisis
• La electroquímica

Sus antecedentes:

• La oxidación eficiente del agua es clave para las tecnologías de energía renovable.
• Los óxidos de metales de transición son materiales fotoánodos prometedores, pero su eficiencia está limitada por la recombinación.
• Comprender la cinética de la reacción es vital para optimizar el rendimiento del fotoánodo.

Objetivo del estudio:

• Investigar la competencia cinética entre la oxidación del agua y la extracción de electrones en los fotoánodos de trióxido de tungsteno (WO3).
• Para correlacionar estas cinéticas con la recombinación superficial y la eficiencia general de la oxidación del agua.
• Para aclarar el papel de las vacantes de oxígeno en la cinética de extracción de electrones.

Principales métodos:

• Espectroscopia de reflectancia difusa transitoria para controlar la cinética de las reacciones.
• Mediciones de fotocorriente transitorias para evaluar la extracción de electrones.
• Estudios en los que se aplicó un sesgo y un tratamiento de película variables para modular la densidad de vacío de oxígeno.

Principales resultados:

• El trióxido de tungsteno (WO3) exhibe una cinética de oxidación de agua más rápida (en milisegundos) que la extracción de electrones (∼10 ms).
• La extracción de electrones en WO3 es más lenta que en otros óxidos metálicos (por ejemplo, TiO2, α-Fe2O3, BiVO4) y está relacionada con la captura de electrones en las vacantes de oxígeno.
• A pesar de la extracción lenta de electrones, WO3 muestra pérdidas modestas de recombinación de carga y un potencial de inicio de fotocorriente cerca de la banda plana.

Conclusiones:

• La cinética de oxidación rápida del agua de WO3, atribuida a su banda de valencia oxidante, supera a la recombinación superficial.
• Las vacantes de oxígeno en WO3 crean estados de trampa poco profundos, ralentizando la extracción de electrones pero no aumentando significativamente la recombinación.
• El perfil cinético único de WO3 destaca la importancia de la fuerza motriz termodinámica en la fotocatálisis para una oxidación eficiente del agua.