Waterstof-aangedreven elektronica, reis, en meer kan een stap dichterbij zijn dankzij het werk van een samenwerkend team van wetenschappers in Japan. De onderzoekers hebben een efficiënte methode ontwikkeld om een ​​belangrijk onderdeel te produceren dat nodig is om zonne-energie en water om te zetten in waterstofbrandstof, een proces dat foto-elektrochemische watersplitsing wordt genoemd. Ze publiceerden hun resultaten in oktober in Toegepaste energiematerialen , een tijdschrift van de American Chemical Society.

"Met de overvloed aan zonne-energie en water, foto-elektrochemische watersplitsing is een veelbelovende manier om mondiale milieu- en energieopslagproblemen te verlichten, " zei hoofdauteur Katsuya Teshima, een professor van de afdeling Materiaalchemie en de directeur van het Centrum voor Energie en Milieuwetenschappen aan de Shinshu University. Teshima is ook verbonden aan het Nagano Prefecture Nanshin Institute of Technology.

Bij het splitsen van water, een foto-anode, dat is een halfgeleider en een metalen kathode, absorbeert zonlicht. De halfgeleider absorbeert hoogenergetische fotonen van dat licht, die de splitsing van de moleculen rond de halfgeleider forceert. Hierdoor scheidt zuurstof van waterstof en combineert het met andere vrije zuurstofmoleculen. Waterstofparen en zuurstofparen kunnen vervolgens afzonderlijk worden doorgesluisd naar de juiste kathoden om te worden opgeslagen en als energie te worden gebruikt.

Het probleem, echter, volgens Teshima en collega, Suzuki, is dat de eerste voorgestelde fotoanoden alleen UV-licht konden absorberen, die goed is voor ongeveer vijf procent van het zonnespectrum. Gemaakt van titaniumoxide, deze fotoanodes zijn zeer efficiënt in het omzetten van de zonne-energie die ze opvangen, maar ze zijn geen haalbare optie voor industrieel gebruik omdat ze zo weinig zonne-energie opvangen.

Teshima en zijn team zijn overgestapt op tantaalnitride, een van de meest veelbelovende lichtgevoelige materialen die beschikbaar zijn voor gebruik bij het splitsen van water. Het kan niet alleen zichtbaar licht absorberen, maar het kan ook licht absorberen met een golflengte tot 600 nanometer, wat zorgt voor nog meer lichtabsorptie. De onderzoekers maakten eerder de tantaalnitridekristallen, maar het proces was gecompliceerd en de resulterende kristallaag varieerde in dikte en dekking. Dergelijke oneffenheden kunnen leiden tot inefficiënte of zelfs volledig ineffectieve watersplitsingsinspanningen.

Bij deze nieuwe poging Teshima plaatste de metalen tantaalmonsters bovenop poedernatriumverbindingen, en verwarmden ze met ammoniakgas bij hoge temperaturen. De onderzoekers konden bepalen hoe gelijkmatig de natriumverbindingen reageerden met het tantaal, evenals hoe dik de kristallaag groeide door de verhouding van de natriumverbindingen te veranderen, de temperatuur, en de tijd.

"Ons uiteindelijke doel is om efficiënt waterstof- en zuurstofgassen te produceren uit natuurlijk water door gebruik te maken van onze flux-grown fotoanode, "Zei Teshima. "Omdat milieu- en energieproblemen mondiale problemen zijn, wij willen bijdragen aan hun oplossingen."