Aarde-overvloedig, goedkope metalen zijn veelbelovende fotokatalytische elektrodematerialen in kunstmatige fotosynthese. Een team van Chinese wetenschappers meldt nu dat een dunne laag titania onder hematiet-nanostaafjes de prestaties van de fotoanode kan verbeteren. Zoals uiteengezet in hun rapport in het tijdschrift Angewandte Chemie , de nanogestructureerde elektrode profiteert van twee afzonderlijke effecten. Dit ontwerp dat nanostructuur combineert met chemische doping kan een voorbeeld zijn voor verbeterde "groene" fotokatalytische systemen.

Met behulp van een katalysator zonlicht kan de oxidatie van water tot zuurstof en het vrijkomen van elektronen voor de huidige generatie stimuleren, een proces dat ook wel kunstmatige fotosynthese wordt genoemd. IJzeroxide in de vorm van hematiet is een handige en goedkope katalysatorkandidaat, maar de elektronen die door de chemische reactie vrijkomen, hebben de neiging om weer vast te komen te zitten en verloren te gaan; de elektriciteitsstroom is inefficiënt. Als oplossing, Jinlong Gong van de Tianjin Universiteit, China, introduceerde een nanometer dunne passiveringslaag van titania. Dit voorkomt niet alleen ladingsrecombinatie tussen de hematietelektrodestructuur en het substraat, maar het voorziet het ijzeroxide ook van een aanzienlijke doteringsbron om de ladingsdragerdichtheid te vergroten, een veelbelovend effect voor foto-elektrische toepassingen.

Hematiet kan een overvloedig materiaal zijn (ijzererts), maar ondanks de fotokatalytische voordelen zoals fotostabiliteit en goede energetische voorwaarden, wetenschappers worstelen nog steeds met zijn trage kinetiek en slechte elektrische geleidbaarheid. Nanogestructureerde hematiet kan een oplossing zijn. De hematiet-fotokatalysatoren worden gekweekt op geleidende glassubstraten in nanorod-arrays, die verder zijn voorzien van twijgen om een ​​bossige, dendritische vorm. Deze vertakte nanostaafstructuur vergroot het oppervlak aanzienlijk om de wateroxidatiereactie te bevorderen, maar het probleem van ladingsrecombinatie, vooral op het grensvlak hematiet-substraat, wordt niet opgelost.

Daarom, Gong en zijn collega's kweekten dendritische hematiet nanostaafjes op een tussenlaag van titaniumdioxide, dat op zichzelf een fotoactief materiaal is. Indien voldoende dun, de gecoate structuur kan zowel ladingsrecombinatie voorkomen als geleidbaarheid bieden, maar dit was niet de enige bedoeling van de wetenschappers. "De tussenlaag van titaniumdioxide werd beschouwd als een bron van titaniumkationen om hematiet te verdoven, "Ze voerden aan. Doping betekent hier het verhogen van de ladingsdragerdichtheid in de fotokatalysator door meer positieve centra binnen te brengen en de elektrische geleidbaarheid te vergroten.

Beide effecten, passiveren en doping, produceerde inderdaad een meer dan vier keer hogere fotostroom onder gestandaardiseerde omstandigheden. De toevoeging van een ijzerhydroxide co-katalysator duwde de fotostroomdichtheid nog verder naar een waarde die meer dan vijf keer hoger was dan die van het ongedoteerde systeem. Dit ontwerp combineert goedkope materialen, enkele voorbereidingsstappen, en verbeterde elektrische prestaties kunnen exemplarisch zijn voor verbeterde systemen in groene kunstmatige fotosynthese.