Onderzoekers van de Universiteit van Osaka creëren nieuw materiaal op basis van goud en zwarte fosfor om schone waterstofbrandstof te produceren met behulp van het volledige spectrum van zonlicht

Door de wereldwijde klimaatverandering en de energiecrisis zijn alternatieven voor fossiele brandstoffen dringend nodig. Een van de schoonste koolstofarme brandstoffen is waterstof, die kan reageren met zuurstof om energie vrij te maken, niets schadelijker uitstotend dan water (H2O) als product. Echter, de meeste waterstof op aarde zit al vast in H2O (of andere moleculen), en kan niet voor stroom worden gebruikt.

Waterstof kan worden gegenereerd door H2O te splitsen, maar dit verbruikt meer energie dan de geproduceerde waterstof kan teruggeven. Watersplitsing wordt vaak aangedreven door zonne-energie, zogenaamde "zon-naar-waterstof" conversie. Materialen zoals titaniumoxide, bekend als halfgeleiders met de brede bandgap, worden traditioneel gebruikt om zonlicht om te zetten in chemische energie voor de fotokatalytische reactie. Echter, deze materialen zijn inefficiënt omdat alleen het ultraviolette (UV) deel van het licht wordt geabsorbeerd - de rest van het zonlicht wordt verspild.

Nutsvoorzieningen, een team van de universiteit van Osaka heeft een materiaal ontwikkeld om een ​​breder spectrum aan zonlicht te oogsten. De driedelige composieten van dit materiaal maximaliseren zowel het absorberen van licht als de efficiëntie voor het splitsen van water. De kern is een traditionele halfgeleider, lanthaan titaanoxide (LTO). Het LTO-oppervlak is gedeeltelijk bedekt met kleine gouden stipjes, bekend als nanodeeltjes. Eindelijk, de met goud bedekte LTO wordt gemengd met ultradunne platen van het element zwarte fosfor (BP), die als lichtabsorbeerder fungeert.

"BP is een prachtig materiaal voor toepassingen op zonne-energie, omdat we de frequentie van licht kunnen afstemmen door de dikte ervan te variëren, van ultradun tot bulk, ", zegt teamleider Tetsuro Majima. "Hierdoor kan ons nieuwe materiaal zichtbaar en zelfs bijna-infrarood licht absorberen, die we met LTO alleen nooit zouden kunnen bereiken."

Door deze brede stroom van energie te absorberen, BP wordt gestimuleerd om elektronen af ​​te geven, die vervolgens worden geleid naar de gouden nanodeeltjes die de LTO bekleden. Gouden nanodeeltjes absorberen ook zichtbaar licht, waardoor sommige van zijn eigen elektronen worden uitgestoten. De vrije elektronen in zowel BP- als gouden nanodeeltjes worden vervolgens overgebracht naar de LTO-halfgeleider, waar ze fungeren als een elektrische stroom voor het splitsen van water.

De waterstofproductie met behulp van dit materiaal wordt niet alleen verbeterd door het bredere spectrum van lichtabsorptie, maar door de efficiëntere elektronengeleiding, veroorzaakt door de unieke interface tussen tweedimensionale materialen van BP en LTO. Als resultaat, het materiaal is 60 keer actiever dan pure LTO.

"Door efficiënt zonne-energie te oogsten om schone brandstof op te wekken, dit materiaal zou kunnen helpen om het milieu schoon te maken, " zegt Majima. "Bovendien, we hopen dat onze studie van het mechanisme nieuwe ontwikkelingen in de fotokatalysatortechnologie zal stimuleren."