In de huidige context van CO ₂ niveaus en duurzaamheidskwesties, de zoektocht naar efficiënte en schone alternatieven voor het opwekken van energie gaat door. Een van de meest aantrekkelijke milieuvriendelijke brandstoffen die bekend zijn, waterstof valt op en er is veel potentieel voor het gebruik ervan. Maar onderzoekers moeten nog komen met een kostenefficiënte en schaalbare methode om grote hoeveelheden waterstof te produceren, en een waterstofeconomie zit er nog steeds niet in.

Bijvoorbeeld, waterstof kan worden geproduceerd uit fossiele brandstoffen, maar het proces genereert CO ₂ en is, daarom, niet duurzaam. Een milieuvriendelijke manier om waterstof te produceren is watersplitsing:het opbreken van watermoleculen (H ₂ O) om zuivere waterstof te verkrijgen (H ₂ ). De energie die voor dit proces nodig is, kan direct worden gewonnen uit zonnestraling met behulp van foto-elektrochemische cellen. Deze cellen zijn samengesteld uit twee elektroden en een materiaal dat de elektrolyt wordt genoemd; de kenmerken van alle drie zijn afgestemd om de noodzakelijke watersplitsingsreacties op gang te brengen en te bevorderen.

Een belangrijk kenmerk dat de efficiëntie van de watersplitsingsreactie bepaalt, is de "band gap" van het foto-elektrodemateriaal. De band gap is in grote lijnen een maat voor de energie die de elektroden moeten ontvangen, zodat er lading doorheen kan worden getransporteerd en de reactie kan plaatsvinden. Foto-elektrodematerialen met matige bandafstanden zijn wenselijk omdat er minder energie van zonnestraling zou moeten worden opgevangen om ladingscirculatie te veroorzaken. In het licht hiervan, siliciumcarbide (SiC) elektroden zijn onderzocht als een veelbelovende optie.

Nutsvoorzieningen, wetenschappers van het Nagoya Institute of Technology, Japan, hebben bijgedragen aan een beter begrip van deze materialen. "SiC is een van de meest veelbelovende foto-elektrodematerialen vanwege zijn duurzaamheid. Van de verschillende soorten, 3C-SiC kan een deel van zichtbaar licht absorberen vanwege de matige bandafstand en is ook in staat tot waterstofopwekking, ", legt Dr. Kato uit, de hoofdwetenschapper van deze studie, gepubliceerd in Applied Physics Express. Desalniettemin, de waargenomen prestatie van bestaande 3C-SiC-foto-elektroden is nog steeds lager dan die voorspeld door theoretische berekeningen.

Om deze kloof te overbruggen en de prestaties te verbeteren, de wetenschappers pasten een eerder gerapporteerde aanpak toe:de efficiëntie van foto-elektroden kan worden verbeterd door ze een gestructureerde structuur te geven. Een robuust oppervlak laat het invallende licht meerdere keren door het materiaal gaan, verhoging van de hoeveelheid geabsorbeerd zonlicht.

In dit onderzoek, om de 3C-SiC-foto-elektrode-oppervlakken getextureerd te maken, Dr. Kato en zijn collega gebruikten een techniek die 'elektrochemisch etsen' wordt genoemd. Vervolgens vergeleken ze de optische en elektrische eigenschappen en de prestaties van verschillende foto-elektroden die onder verschillende omstandigheden waren geëtst. Ze observeerden ook alle oppervlakken door middel van geavanceerde microscopietechnieken.

Ze zagen dat het etsen bij voorkeur had plaatsgevonden op de bestaande fouten en dislocaties op het oppervlak van het materiaal. De oppervlakteruwheid was sterk verhoogd (naar wens), zonder de vorming van "puntdefecten" - afwijkingen in de basisstructuur van de elektrode.

Zijn prestaties - gemeten door zijn foton-naar-stroom conversie-efficiëntie onder een aangelegde spanning (ook bekend als "ABPE" of "toegepaste bias foton-naar-stroom conversie-efficiëntie") - vertoonden verbetering. Onder optimale omstandigheden van etsen en platina-cokatalysatorafzetting, de prestatie bleek 2% te zijn. "Deze ABPE-waarde is tot nu toe de hoogste van de gerapporteerde efficiënties voor SiC-foto-elektroden. we geloven dat onze 3C-SiC-foto-elektrode met een oppervlaktetextuur gevormd door elektrochemisch etsen veelbelovend is voor toepassingen voor de omzetting van zonne-naar-waterstofenergie, " concludeert Dr. Kato.

De wetenschappers zeggen dat hun uiteindelijke doel is om op een dag SiC-fotokathoden te produceren met een efficiëntie van zonne-naar-waterstof die vergelijkbaar is met die van andere technologieën voor energieconversie. Het realiseren van deze visie kan een belangrijke stap zijn naar een milieuvriendelijkere waterstofeconomie.