UN HISTORIAL DE BONOS-RELACIÓN ENTRE LA FOTÓNICA Y LA QUÍMICA

FOTOGRAFÍA EN TEMAS FOTÓNICAS

Nature Photonics

Hay mucho que ganar por reunir a los investigadores de la fotónica y la química en conjunto cerrado

La relación entre la fotónica y la química es un tema que tiene especial importancia en las Noticias de este número y sección de Vistas. Estos dos campos siempre han disfrutado de una estrecha colaboración a gran escala, incluyendo en la fotosíntesis, la espectroscopia y muchas formas de la reacción inducida por la luz como la polimerización o curado. Sin embargo, a pesar de esta relación histórica, parece que todavía hay una amplia investigación a realizar y beneficios que cabe esperar en la interfase entre estas dos disciplinas.

En la página 6711, se describen los experimentos sofisticados de la bomba-sonda de un estudio recientemente la presentación de informes en la revista Nature que utiliza pulsos ultracortos de luz y de alta generación de armónicos de “imagen” del funcionamiento interno de una reacción química en un submolecular scale2 – en este caso la disociación salido de las moléculas de dibromuro. Esta demostración sugiere que la fotónica ultrarrápida desempeñará un papel cada vez más valioso en la provisión de comprensión de la dinámica electrónica de reacciones químicas. La investigación en el campo de la química láser – en la que femtosegundos pulsos de luz láser a diferentes longitudes de onda se utilizan para desencadenar las reacciones químicas por el fotoexcitación de moléculas – no ha dejado de desarrollo tras la investigación pionera de Ahmed Zewail, que obtuvo en 1999 el Premio Nobel de Química por su trabajo en esta área.

El efecto de la luz en un material a menudo puede ser muy llamativo. En la página 6643, se destaca un informe reciente en Nature Materials que describe el fenómeno de la photostriction – una luz de cambio inducido en tamaño físico – en un cristal ferroeléctrico de BiFeO3 (ref. 4). Aunque la manifestación logrado un cambio de longitud relativa de sólo 14 × 10-6, que requiere sólo unos pocos milivatios de luz roja y se llevó a cabo en un plazo de cientos de microsegundos. Se sugiere que el sistema puede ser útil para combinar propiedades dinámicas mecánicas, ópticas y magnéticas en un solo dispositivo.

Otra área muy diferente que parece ser de mayor interés es el photoelectrolysis de agua y sus consecuencias para la generación y distribución de energía. De hecho, este tema se reunieron una considerable atención en la reunión anual de SPIE de este año en San Diego en los EE.UU., informó en la página 6725.

‘La luz del sol’ Las palabras y “la generación de energía ‘voluntad, para la mayoría de las personas, invocar una imagen de matrices mayoría de las células fotovoltaicas absorbiendo los rayos del sol. La industria de la energía solar está creciendo a un ritmo impresionante en términos de inversión y los despliegues, y es cierto que jugar un papel importante en el suministro de electricidad en el futuro. Lo que es quizás menos conocido, probablemente porque se encuentra todavía en una fase temprana de la investigación y el desarrollo, es el uso de la luz solar para generar formas químicas de energía útil – hidrógeno en particular. El proceso, conocido formalmente como fotólisis / photoelectrolysis e informalmente como “disociación del agua ‘, aprovecha la energía de la luz solar para romper el agua hasta en sus componentes gaseosos de hidrógeno y oxígeno. Se lleva a cabo en las células foto-catalítica que contienen agua y diversos fotocatalizadores absorción de la luz (fotoelectrodos), que a menudo son hechas de óxidos metálicos, tales como TiO2. El cargo fotoexcitados eléctrica generada en el fotocatalizadores se utiliza para dividir el agua.

El hidrógeno solar es de interés, ya que proporciona una forma de energía que es portátil y fácil de almacenar – atributos que no se puede conseguir fácilmente a gran escala con la electricidad solar convencional. El proceso consiste en la alimentación de hidrógeno para alimentar las pilas de combustible, que luego se convierten en energía eléctrica y produce sólo agua como subproducto. Los científicos ya han demostrado que las células de combustible de hidrógeno son capaces de propulsión de vehículos eléctricos, vehículos se encuentran en el corazón de la ‘economía del hidrógeno’ el medio ambiente, que, en principio, está libre de la contaminación de carbono y motores de combustión.

Entonces ¿por qué no hemos oído más acerca de generación de hidrógeno utilizando la luz del sol? La razón principal es que a pesar de las muchas mejoras hechas a esta tecnología ya que la primera demostración de la disociación del agua fotocatalítica en la superficie del cristalino fotoelectrodos TiO2 casi 40 años ago6, los procesos y catalizadores utilizados hasta ahora son ineficaces y tienden a degradarse, lo que limita la esperanza de vida de las células foto-catalítica.

Uno de los mayores problemas ha sido encontrar fotocatalizadores óptimo que ofrecen una fuerte absorción de luz y las propiedades electrónicas adecuadas para aumentar la eficiencia del proceso. La mayoría de fotocatalizadores temprana sólo funcionan con luz ultravioleta, lo que representa sólo una pequeña parte del espectro de la luz solar. Sin embargo, durante los últimos años los progresos se han realizado importantes en la ampliación de la operación al régimen visibles mediante el uso de nuevos materiales fotocatalizador. En 2001, investigadores de la AIST en Japón informó de un dispositivo que funciona con luz visible mediante un In1-xNxTaO4 catalyst7, pero se logró un rendimiento cuántico de sólo 0,66% – demasiado bajo para un sistema práctico. Mucho se ha hecho desde entonces, sin embargo, con investigadores de la AIST recientemente informes rendimientos cuánticos de ~ 19% para la luz azul (420 nm) con un fotocatalizador de óxido de tungsteno tratados con cesio.

Si el rendimiento de estos sistemas sigue mejorando y las cuestiones relativas a la vida abordados son, pronto podrá ser vista mucho más sobre el hidrógeno solar.

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