Een organische halfgeleider-fotokatalysator die de opwekking van waterstofgas aanzienlijk verbetert, zou kunnen leiden tot efficiëntere technologieën voor energieopslag.

De verbranding van fossiele brandstoffen leidt tot gevaarlijke klimaatverandering, de zoektocht naar schonere hernieuwbare energiebronnen stimuleren. Zonne-energie is verreweg de meest voorkomende hernieuwbare energiebron, maar het ontsluiten van het potentieel ervan vereist een manier om het op te slaan voor later gebruik.

Een standaardmethode voor het opslaan van zonne-energie is in de chemische bindingen van moleculaire waterstof met behulp van waterstofevolutiefotokatalysatoren (HEP's). Momenteel, de meeste HEP's zijn gemaakt van eencomponent anorganische halfgeleiders. Deze kunnen alleen licht absorberen bij ultraviolette golflengten, wat hun vermogen om waterstof te produceren beperkt.

Een team onder leiding van Iain McCulloch van het KAUST Solar Center, in samenwerking met onderzoekers uit de Verenigde Staten en het Verenigd Koninkrijk, heeft nu HEP's ontwikkeld die zijn gemaakt van twee verschillende halfgeleidende materialen. Ze hebben deze materialen verwerkt in organische nanodeeltjes die kunnen worden afgestemd om meer van het zichtbare lichtspectrum te absorberen.

"Traditioneel, anorganische halfgeleiders zijn gebruikt voor fotokatalytische toepassingen, " zegt Jan Kosco, eerste auteur van de studie. "Echter, deze materialen absorberen voornamelijk UV-licht, die minder dan vijf procent van het zonnespectrum omvat. Daarom, hun efficiëntie is beperkt."

Het team gebruikte eerst een methode genaamd miniemulsion, waarin een oplossing van de organische halfgeleiders in water wordt geëmulgeerd met behulp van een stabiliserende oppervlakteactieve stof. Volgende, ze verwarmden de emulsie om het oplosmiddel te verdrijven, met surfactant-gestabiliseerde organische halfgeleider nanodeeltjes achterlatend.

Door de oppervlakteactieve stof te variëren, ze waren in staat om de structuur van de nanodeeltjes te controleren, ze transformeren van een kern-schil-structuur naar een gemengde donor/acceptor-structuur. Door de gemengde structuur konden ze een heterojunctie introduceren tussen de lagen van het donorpolymeer en de nonfullereenacceptor.

"Beide structuren absorberen licht met dezelfde snelheid, " legt Kosco uit, "maar in de kern-schaalstructuur, alleen fotogegenereerde gaten bereiken het oppervlak; echter, in de gemengde structuur, zowel gaten als elektronen bereiken het oppervlak van de nanodeeltjes, wat resulteert in een verbeterde opwekking van waterstof.

De HEP's vertoonden waterstofontwikkelingssnelheden die een orde van grootte hoger liggen dan wat momenteel haalbaar is met anorganische HEP's met één component. Dit legt de basis voor energieopslagtechnologieën van de volgende generatie.

"We bestuderen momenteel de prestaties van nanodeeltjes gevormd uit verschillende mengsels van halfgeleiders om hun structuur-activiteitsrelaties beter te begrijpen, ", zegt McCulloch. "We zijn op zoek naar fotokatalysatoren voor nanodeeltjes voor andere fotokatalytische reacties, zoals zuurstofontwikkeling of koolstofdioxidereductie."