Sacudida el mundo de la química de los semiconductores

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El diamante es un alótropo del carbono dande los átomos de carbono están dispuestos en una variante de la estructura cristalina cúbica centrada en las caras denominada “red de diamante”. Es la segunda forma más estable de carbono después del grafito. El diamante debido a su estructura extremadamente rígida, puede ser contaminada por pocos tipos de impurezas. El boro (B) es una de los pocos tipos de impurezas, que le induce, al diamante, un color azul. Este tipo de diamante dopado, es un buen ejemplo de semiconductor de tipo P ya que la impureza aumenta el número de portadores de carga libre positivos o huecos. Estos huecos/vacantes tienen un nivel energético ligeramente superior al de la banda de valencia por lo que los electones saltarán con más facilidad a la vacante que a la banda de conducción, dejando huecos en la banda de valencia . En el post del 16 de Mayo explico más detalladamente este tipo de semiconductor, entre otros, el uso de los semiconductores en las células fotovoltaicas … (aquí). Hoy explicaré otro uso.

El diamante azul (dopado con B) es un buen ejemplo de semiconductor de tipo P , que se produce de forma natural. Pero si se ponen muestras de diamante azul dentro de una cámara de deposición química de vapor (Chemical Vapor Deposition, CVD) con plasma de hidrógeno (H) durante una hora y después se enfrían en una atmósfera de H2 puro, añadimos H en su superficie. El diamante con H en su superficie, además de continuar siendo semiconductor, se caracteriza por emitir electrones cuando se les irradian con luz ultravioleta.

Aprovechando esta propiedad un grupo de la Universidad de Wisconsin, Madison ha realizado una reacción que por otros medios es muy difícil: La reducción de dióxido de Carbono (CO2) por activación directa de un electrón es extraordinariamente difícil ya que su potencial de reducción es de -1,9V.

El diamante con H en su superficie (rojo y gris) irradiado con luz ultravioleta (flechas onduladas) libera electrones que interactúan rápidamente con las moléculas de agua (verde y rojo) y se convierten en electrones solvatados. Estas especies energéticas sirven como potentes agentes reductores ya que pueden reaccionar con el CO2 (gris y verde) y convertirlo en CO.

Los procesos electroquímicos y fotoquímicos convencionales, que se han estudiado para la reducción de CO2, requieren que los reactivos se unan a una superficie para reaccionar. En este método, los electrones solvatados no requieren la adsorción superficial. Se basa en una emisión directa de electrones en el agua y la química tiene lugar en fase acuosa.

Según este estudio, la reducción inducida por luz ultravioleta presenta una elevada selectividad (> 95%) y produce una mínima cantidad de hidrógeno (subproducto). Los investigadores llegan a la conclusión de que la reacción se produce por medio de un mecanismo de reducción de un electrón (relativamente poco común). Este proceso, que convierte el CO2 en anión radical CO2 (CO2.−) en el camino a la formación de CO, tiene una gran barrera de potencial y es inaccesible por otros métodos.

Los investigadores han sacudido el mundo de la química de los semiconductores, mostrando que los electrones fotoemitidos pueden estimular reacciones de superficie, en el caso de la reducción de CO2 de forma muy selectiva. Muestran, también, una nueva posible estrategia económica para convertir el CO2, el gas invernadero, en productos con valor comercial como CO, un compuesto usado en la síntesi química y otros procesos industriales.

Fuentes:

 

 

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