Over de afgelopen tien jaar, onderzoek is geïntensiveerd om efficiënte, door de mens gemaakte fotokatalysatoren die werken onder zichtbaar licht - een belangrijk doelwit voor hernieuwbare energiesystemen. Wetenschappers in Japan hebben nu aangetoond dat een oxyfluoride in staat is tot door zichtbaar licht gestuurde fotokatalyse. De vondst opent nieuwe deuren voor het ontwerpen van materialen voor kunstmatige fotosynthese en onderzoek naar zonne-energie.

Kazuhiko Maeda van het Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), Kengo Oka van Chuo University en medewerkers in Japan zijn erin geslaagd aan te tonen dat Pb ₂ Ti ₂ O ₅ . ₄ F ₁ . ₂ werkt als een stabiele fotokatalysator voor door zichtbaar licht aangedreven watersplitsing en kooldioxidereductie met behulp van de juiste oppervlaktemodificaties.

Het nieuwe materiaal heeft een ongewoon kleine bandafstand van ongeveer 2,4 elektronvolt (eV), wat betekent dat het zichtbaar licht kan absorberen met een golflengte van ongeveer 500 nanometer (nm). In het algemeen, bandhiaten groter dan 3 eV worden geassocieerd met inefficiënt gebruik van zonlicht, terwijl die kleiner dan 3 eV wenselijk zijn voor een efficiënte omzetting van zonne-energie.

Aanvullend, het oxyfluoride behoort tot een groep verbindingen die tot nu toe grotendeels over het hoofd werd gezien vanwege de hoogste elektronegativiteit van fluor, een eigenschap die hen in wezen uitsloot als kandidaten voor door zichtbaar licht aangedreven fotokatalysatoren.

Het nieuwe oxyfluoride is "een uitzonderlijk geval, " zeggen de onderzoekers in hun studie, die is gepubliceerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society .

Op basis van structurele overwegingen en theoretische berekeningen, ze concluderen dat "de oorsprong van de reactie op zichtbaar licht in Pb ₂ Ti ₂ O ₅ . ₄ F ₁ . ₂ ligt in de unieke kenmerken die specifiek zijn voor de pyrochloorachtige structuur." het is de sterke wisselwerking tussen bepaalde orbitalen (Pb-6s en O-2p), mogelijk gemaakt door korte Pb-O-bindingen in de pyrochloorstructuur, waarvan wordt aangenomen dat ze aanleiding geven tot het vermogen van het materiaal om zichtbaar licht te absorberen.

Een beperking is dat de opbrengst van de nieuwe fotokatalysator momenteel laag blijft, bij een cijfer van ongeveer 0,01 procent bij 365 nm voor waterstofontwikkeling. Het onderzoeksteam onderzoekt daarom hoe de opbrengst kan worden verhoogd door Pb . aan te passen ₂ Ti ₂ O ₅ . ₄ F ₁ . ₂ door verfijning van methoden voor synthese en oppervlaktemodificatie.