Met de toenemende druk op de wereldwijde koolstofemissies en klimaatverandering, het is dringend nodig om alternatieven voor schonere energie te ontwikkelen in plaats van fossiele brandstoffen. Waterstof is een schone brandstof zonder CO2-uitstoot omdat het bij verbranding alleen onschadelijk water produceert. Echter, een technologie om zogenaamde "groene waterstof" te produceren moet verder worden ontwikkeld voor praktische toepassingen, die gebruikmaakt van watersplitsing met behulp van een hernieuwbare energiebron. Zonnewaterstof is zo'n ideale technologie om waterstofbrandstof te produceren door gebruik te maken van zonlicht, maar ondanks intensief onderzoek wereldwijd in de afgelopen decennia, de voortgang is traag.

Professor Jae Sung Lee en zijn onderzoeksteam in de School of Energy and Chemical Engineering van UNIST, in samenwerking met wetenschappers van het Dalian Institute of Chemical Physics (DICP), China heeft onlangs een belangrijke ontdekking gemeld die de productie van waterstof op zonne-energie een stap dichter bij de realiteit zou kunnen brengen.

Elektrolyse van water tot waterstof en zuurstof kan worden gerealiseerd, maar vereist grote hoeveelheden elektriciteit die grotendeels wordt gemaakt door verbranding van fossiele brandstoffen. Foto-elektrochemische (PEC) watersplitsing biedt een milieuvriendelijke en duurzamere route naar waterstofproductie. Hematiet wordt beschouwd als een ideaal kandidaat-fotoanodemateriaal voor grootschalige toepassing van PEC-watersplitsing vanwege zijn natuurlijke overvloed, chemische robuustheid, en een ideale bandgap van 2,1 eV die een hoge zonne-naar-waterstof conversie-efficiëntie van 16,8% mogelijk maakt (meer dan 10% is een vereiste voor commercialisering). Het realiseren van de hoge prestaties van hematiet die overeenkomt met zijn veelbelovende potentieel, blijft een grote uitdaging vanwege verschillende beperkende factoren in zijn opto-elektronische eigenschappen. Door deze beperkingen, de gerapporteerde prestaties van hematiet-fotoanodes blijven minder dan de helft van hun potentiële prestaties.

Het onderzoeksteam heeft met succes een nieuwe nanogestructureerde op hematiet gebaseerde fotoanode ontworpen en gebouwd, dat is een kern-schilvorming van met tantaal gedoteerde hematiet-homojunctie-nanostaafjes met gradiënt door combinatie van tweede hydrothermische groei en hybride microgolfgloeien (HMA). De gradiënt Ta-gedoteerde homojunctie-nanostaafjes resulteren in een hoge geleidbaarheid binnenin (zware Ta5+-doping), terwijl de oppervlaktetoestanden buiten werden gepassiveerd door het verwijderen van oppervlaktedefecten veroorzaakt door zware Ta5+-doping. Nog belangrijker, dit construeert een extra elektrisch veld om ladingsrecombinatie te onderdrukken, wat leidt tot een aanzienlijke verbetering van de fotostroom en een grote afname van de inschakelspanning (zie figuur 1). De meeste van de bekende modificatiestrategieën verbeteren de opwekking van fotostroom of verminderen de huidige inschakelspanning. Het unieke van onze nieuw ontwikkelde strategie is om de twee cijfers van verdienste tegelijkertijd te verbeteren. Dit werk laat mooi zien hoe de meerdere strategieën van hoge doping, homojunctie en cokatalysatorlading verbeteren de prestaties van fotoanode. Als resultaat, de uiteindelijk geoptimaliseerde fotoanode verbetert de fotostroomdichtheid met 66,8% en verschuift de inschakelspanning met ~270 mV ten opzichte van de ongewijzigde fotoanode.

Momenteel wordt het grootste deel van waterstof geproduceerd door aardgas te reformeren, die noch schoon noch duurzaam is. Met verdere ontwikkelingen, men kan schone en groene waterstof produceren uit zonnewatersplitsing, en de huidige ontdekking zou een belangrijke mijlpaal kunnen zijn in dergelijke ontwikkelingen.

De bevindingen van dit onderzoek zijn gepubliceerd in Natuurcommunicatie .