ICN2-onderzoekers onder leiding van ICREA Prof. Jordi Arbiol, in samenwerking met de IREC en ICIQ, een materiaal hebben geproduceerd voor gebruik bij foto-elektrochemische watersplitsing dat niet alleen goedkoper is dan bestaande alternatieven, maar verhoogt zowel de efficiëntie als de output van het proces. Gebaseerd op de integratie van verschillende materialen in een meerlagige nanodraadstructuur, het onderzoek stond op de omslag van deze maand Energie en milieuwetenschappen .

Foto-elektrochemische (PEC) watersplitsing is een proces waarbij zonlicht wordt gebruikt in combinatie met gespecialiseerde halfgeleidermaterialen om elektrolyse te induceren en de waterstof van het watermolecuul te scheiden. Nu de wereldwijde klimaatverandering de behoefte aan efficiënte bronnen van duurzame energie stimuleert, het is een onderwerp dat de laatste jaren veel aandacht krijgt. ICN2-onderzoekers hebben in samenwerking met het Catalonia Institute for Energy Research (IREC) en het Institute of Chemical Research of Catalonia (ICIQ) de eigenschappen van het halfgeleidermateriaal geoptimaliseerd voor een efficiëntere en productievere conversie van zonne-energie naar brandstof.

specifiek, het halfgeleidermateriaal is nodig om de zonne-energie te absorberen en als elektrode in het watersplitsingsproces te fungeren. Hematiet, een gemeenschappelijke halfgeleider met een smalle bandgap die bij uitstek geschikt is om het zonnespectrum te absorberen, is een mogelijke fotoanode. Als een ijzeroxide (α-Fe ₂ O ₃ ), hematiet is een van de meest voorkomende mineralen op het aardoppervlak en is dus aanzienlijk goedkoper dan het goud en platina dat gewoonlijk wordt gebruikt. Echter, kwesties met betrekking tot de stroom van elektrische lading (namelijk, slecht ladingtransport, recombinatie van oppervlaktelading en kinetiek van langzame ladingsoverdracht) hebben de praktische toepassing ervan bij PEC-watersplitsing beperkt.

Om deze beperkingen te overwinnen, eerdere studies hebben zich gericht op de ontwikkeling van hematietcomposieten, structuren die een tweede materiaal bevatten dat compenserende of versterkende eigenschappen verleent aan de hematietbasis. Een aantal materialen zijn bestudeerd in binaire formuleringen met hematiet. Jordi Arbiol en zijn team hebben vier volledige materialen geïntegreerd in een meerlagige nanostructuur en systematisch de PEC-prestaties van de resulterende fotoanode bestudeerd, ook licht werpen op de onderliggende chemische mechanismen.

In de krant, eerste auteur PengYi Tang beschrijft in detail de fabricageprocessen waarmee de vier aarde-overvloedige materialen worden samengebracht in een nieuwe op nanodraad gebaseerde kern / schaal hematiet heterostructuur compleet met "nanodots" (zie afbeelding). Een studie van de kinetiek van ladingsoverdracht aan de elektrode-interfaces benadrukt ook de rol van de dichtheid van de oppervlaktetoestand / donordichtheid bij het bepalen van de efficiëntie van de ladingsoverdracht van het materiaal voor PEC-watersplitsing.

De ontworpen quaternaire composiet fotoanodes presteren beter dan bestaande state-of-the-art structuren, terwijl het werk als geheel een completer beeld geeft van het gedrag van deze geïntegreerde fotoanodes.