De sleutel tot het efficiënt oogsten van energie uit zonlicht zou kunnen zijn om de juiste combinaties van lichtvangende materialen te vinden. Onderzoekers van KAUST hebben ontdekt dat een vorm van ijzeroxide een uitstekende co-katalysator is voor een veelbelovend fotokatalytisch materiaal dat galliumnitride wordt genoemd.

Het vinden van fotokatalysatoren die zonlicht efficiënt kunnen gebruiken om schone waterstofbrandstof uit water te produceren, is een van de meest gewilde toepassingen van zonne-energie. "Nitriden kunnen de meeste energie in het zonnespectrum absorberen, maar galliumnitride is een gebrekkige watersplitsende fotokatalysator, " zegt Martin Velazquez-Rizo, een doctoraat student in de laboratoria van Kazuhiro Ohkawa, die het huidige onderzoek leidde.

"Als GaN als fotokatalysator wordt gebruikt, het materiaal wordt snel beschadigd door fotocorrosie, die de implementatie ervan in industriële toepassingen belemmert, " zegt Velazquez-Rizo. Schade door fotocorrosie was zichtbaar na slechts twee uur foto-elektrochemische waterstofproductie, het team liet zien.

Om de mogelijkheid te testen om de levensduur van de galliumnitride-fotokatalysator te verlengen, de onderzoekers probeerden het te combineren met een ijzeroxide. "Fe ₂ O ₃ is een bekend materiaal op het gebied van katalyse vanwege zijn optische en elektronische eigenschappen en vanwege zijn vermogen om in ruwe omgevingen te werken, ", zegt Velazquez-Rizo. "We hadden verwacht dat, onder de juiste voorwaarden, Fe ₂ O ₃ zou de fotocorrosie van GaN-fotokatalysatoren kunnen onderdrukken zonder hun fotoabsorptiecapaciteiten te verminderen."

De strategie is bewezen effectief. Toen het team het GaN-oppervlak versierde met een laag Fe . van 1,3 procent ₂ O ₃ deeltjes, de eerste tekenen van fotocorrosie verschenen meer dan 20 keer langzamer. In aanvulling, de waterstofproductiesnelheid van de Fe ₂ O ₃ /GaN-fotokatalysator was vijf keer hoger dan alleen GaN. De resultaten, zegt Velazquez-Rizo, "GaN-fotokatalysatoren een stap dichter bij implementatie in real-life toepassingen brengen."

Een deel van de reden Fe ₂ O ₃ en GaN samen goed presteren, is waarschijnlijk vanwege de ongebruikelijke manier waarop de Fe ₂ O ₃ deeltjes zijn gerangschikt op het GaN-oppervlak. De atomen in de ijzeroxidedeeltjes zijn netjes uitgelijnd met de atomen in het GaN-rooster eronder, een effect dat bekend staat als epitaxiale groei. Dit effect wordt zelden waargenomen bij het combineren van materialen met verschillende kristallografische eigenschappen, zoals Fe ₂ O ₃ en GaN.

"Martin's werk heeft aangetoond dat deze verschillende materiële systemen een coherente kristaluitlijning kunnen hebben, zonder kristaldefecten, " zegt Ohkawa. "De foto-elektrode-apparaten van tegenwoordig zijn gemaakt van nitridehalfgeleiders of van oxiden, maar zijn resultaat geeft aan dat door de twee te combineren, het is mogelijk om nieuwe apparaten te fabriceren." Het team blijft nieuwe op GaN gebaseerde composietmaterialen ontwikkelen om de energieconversie-efficiëntie van fotokatalysatoren te verbeteren.