In lijn met de toenemende wereldwijde bezorgdheid over de toestand van onze planeet, het perfectioneren van de technologie voor alternatieve energieopwekking is een hot topic geworden onder onderzoekers over de hele wereld. Onder de vele technieken die worden onderzocht om schone energie op te wekken, watersplitsing is een veelbelovende. Vooral, water (H ₂ O) kan worden gesplitst om diwaterstof (H .) te verkrijgen ₂ ) door gebruik te maken van zonne-energie; dit staat bekend als foto-elektrochemische watersplitsing. Diwaterstof kan worden gebruikt als schone brandstof voor andere machines of om elektriciteit op te wekken, wat betekent dat het verbeteren van onze watersplitsingstechnieken een gegarandeerde manier is om onze koolstofemissies te verminderen en de opwarming van de aarde te verminderen.

Hoe werkt foto-elektrochemische watersplitsing? Kortom, zoals getoond in Fig. 1, een manier om dit te doen is door een bepaald type halfgeleidermateriaal te gebruiken, die de fotoanode wordt genoemd, en sluit het aan op een kleine spanningsbron en een metalen draad, die als kathode fungeert. Bij blootstelling aan zonlicht, water wordt aan deze twee uiteinden in zijn samenstellende atomen verdeeld; de samenstellende atomen recombineren om het bruikbare H . te vormen ₂ en O ₂ als bijproduct. De cruciale stap hier is het vinden van stabiele, hoogwaardige materialen voor de fotoanode omdat de oxidatie-substap, waarbij de vorming van O . betrokken is ₂ , is de moeilijkste.

Helaas, het meeste onderzoek heeft zich gericht op een klasse van fotoanodes die oxynitrides worden genoemd, die lijden aan instabiliteit en relatief snel degraderen omdat ze de neiging hebben om te oxideren wanneer ze worden verlicht door licht. Om dit probleem aan te pakken, een team van onderzoekers van Tokyo Tech onder leiding van prof. Kazuhiko Maeda richtte zich in plaats daarvan op een ander type fotoanodemateriaal, een oxyfluoride met de chemische formule Pb ₂ Ti ₂ O _5.4 F _1.2 . Deze verbinding heeft door zijn elektronische eigenschappen geen last van zelfoxidatie.

Hoewel is gemeld dat dit oxyfluoride veelbelovend is voor veel andere toepassingen, er waren geen studies over de foto-elektrochemische prestaties als fotoanode voor watersplitsing. Het onderzoeksteam bestudeerde deze verbinding onder verschillende licht- en toegepaste spanningsomstandigheden, en vond dat, om het als een fotoanode te gebruiken, het is noodzakelijk om het oppervlak te wijzigen met andere verbindingen. Eerst, een laag titaniumoxide (TiO ₂ ) moet worden afgezet op het oppervlak van het oxyfluoride om de fotostroom die wordt gegenereerd door de watersplitsingsreactie te vergroten. Vervolgens, de prestaties van de fotoanode kunnen aanzienlijk worden verbeterd door deze verder te coaten met kobaltoxiden (CoOx), die door de scheuren in het TiO . dringen ₂ laag en bevordert de gewenste reactie. "Post-modificatie van de fotoanode met een wateroxidatiepromotor is in de meeste gevallen onmisbaar gebleken voor het bereiken van stabiele prestaties, " merkt prof. Maeda op.

De onderzoekers voerden verschillende experimenten uit om hun fotoanode en zijn prestaties voor watersplitsing onder verschillende omstandigheden te karakteriseren, zoals onder verschillende soorten licht en verschillende spannings- en pH-waarden (wat een maat is voor de zuurgraad van water). Hun resultaten zijn veelbelovend (Fig. 2) en zeer nuttig om andere onderzoekers in de goede richting te wijzen. "Tot dusver, oxynitriden en soortgelijke verbindingen zijn gezien als veelbelovende maar moeilijk te hanteren materialen voor fotoanodes vanwege hun inherente instabiliteit voor zelfoxidatie. Pb ₂ Ti ₂ O _5.4 F _1.2 in dit opzicht een langverwachte doorbraak betekent, " concludeert prof. Maeda. Watersplitsingstechnologie kan cruciaal zijn om in onze energiebehoeften te voorzien zonder het milieu verder te schaden, en studies zoals deze zijn essentiële opstapjes om onze doelen voor een groenere toekomst te bereiken.